シリコンピクセルを用いた
プリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討
2021/3/1
奈良女子大学高エネルギー研究室
五屋 郁美

卒業研究発表会

目次

2

1.背景
2.目的
3.方法
4.結果
5.まとめ

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi GoyaBelle Ⅱ実験

3• 世界最高ルミノシティを保持し、電子(7GeV)・陽電子(4GeV)を衝突させる加速器
実験• 現在はルミノシティをさらに上げながら運転を継続している• 大量生産されたBメソンの崩壊現象に関する研究などを行い、新しい物理法則を探索している© 2018 KEK

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi GoyaBelle Ⅱ測定器

4

KEKB加速器からSuperKEKB
加速器へとアップグレードされたことに伴い、Belle測定器
もデータ収集システムやデー
タ処理の効率化を図り高度化された。
© 2018 Rey.Hori/KEK

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

電磁カロリメーター

5電磁カロリメーターとは…
電磁シャワーという現象を用いて光子や電子のエネルギーを測定する

左図：@High Energy Accelerator Research Organization,
Institute of Particle and Nuclear Studie
参照：https://www.belle2.org/archives/
右図：先生のスライドより

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

電子と物質の相互作用

6電子の入射エネルギーとエネルギー損失の関係
約20~30MeV以上では電離損失によるエネルギー損失を制動放射によるエネルギー損失が上回る
BelleⅡ実験で検出すべき電子のエネルギーは数十MeV以上であるから、電磁カロリメーターで検出する
電子や陽電子のエネルギー損失は制動放射によるものが支配的である
制動放射
電子・陽電子が物質中のクーロン場で減速し、そのエネルギーをγ線として放出する。

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

光子と物質の相互作用
光電効果

7

電子・陽電子対生成

BelleⅡ実験で検出すべき光子のエネルギーは数十MeV以上であるから、電磁カロリメーターで検出する
光子のエネルギー損失は電子対生成によるものが支配的である電子・陽電子対生成1.022MeV以上のエネルギーを持つγ線が物質中に入射した時に原子核近傍で電子・陽電子対を生成する。
コンプトン散乱1 Mar. 2021

電子(陽電子)の静止質量：0.511MeV
0.511 2=1.022MeV

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

電磁シャワー8電磁シャワーとは…
制動放射と電子・陽電子対生成が連鎖して発生すること
電磁カロリメーターでは…
発生した光を電気信号に変換しエネルギー損失を求める
シンチレーターが十分な重さや大きさを持つ場合には全てのエネルギーを電磁カロリメーター内で失う

実線：電子もしくは陽電子
破線：光子BelleⅡ測定器に用いられている電磁カロリメーターは
もともとエネルギー分解能は良いが、高輝度の環境下では性能に限界が出る可能性がある

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

目次

9

1.背景
2.目的
3.方法
4.結果
5.まとめ

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

→ Signal ( V(t) or I(t) )動機large light output, but…
Signal by physics
particle incident

Pileup caused bybeam backgroundincident↓→ t behaves as noise
increaseis to realize beam background immunity
10

10
CsI(Tl)は発光量は大きいが減衰時間が約1μsと長い⬇
バックグラウンドで発生したγ線によってパイルアップが発生しエネルギー分解能が下がる⬇
既存のカロリメーターの前に検出器を置き
バックグラウンドのγ線の影響を小さくしたい

更に機能を持たせたい
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

バックグラウンドKEK (High Energy Accelerator Research Organization)

11

衝突点

V0 distribution
Phase3 r1976 (Lumi run)

'.367?<1.4*:0.*57=6<7/<1.+.*5
…ホットスポット(バックグラウンドの発生源)
2;,75260/:75<1.'+.447?;:.0276– Must be a large contribution to the beam BG (at least
CDC)
プリシャワー検出器にn%1.:.-=,<2767/<12;,75876.6<2;.;;.6<2*4
γ線の到来方向がわかる機能を持たせ、γ線を識別できるようにしたい<7*,12.>.1201.:4=5267;2<A
n

⬇



プリシャワー検出器の特性等を検討する
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

目次

12

1.背景
2.目的
3.方法
4.結果
5.まとめ

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

プリシャワー検出器の構成

13BGO結晶シンチレータ• BGO結晶シンチレータ
電磁シャワーの生成エネルギー損失の測定
1放射長＝1.12cm→将来的には減衰時間がBGOより短く、

5.5cm

Si検出器

入射方向

放射長も近いLYSOを使用することを検討している

1Layer• Si検出器
電子・陽電子の通過位置の検出→ピクセル構造を持つものに変更

11.2mm 0.3mm

を組み合わせて1層とし、３層にする

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

プリシャワー検出器の構成

14<入射方向に垂直な面＞
5 ５(1.1cm 1.1cm角)

BGO結晶シンチレータにSi検出器を区切った場合
以下のようにpixel番号を振った

5.5cm

Si検出器

4

9

14

19

24

3

8

13

18

23

2

7

12

17

22

1

6

11

16

21

0

5

10

15

20

入射方向

5.5cm

1Layer

11.2mm 0.3mm

5.5cm
更に細かく分割した場合も同様
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

Geant4について

15

シミュレーションソフトはGeant4を使用する。

Geant4粒子が物質中を通過するときの相互作用や過程をシミュレーションするソフトウェア
複数の例題プログラムを持っており、その中からサンプリングカロリメータの例題であるexampleB4aを改変して使用する
ver10.6を使用<変更したファイル>

昨年までの研究で…
３層構造のプリシャワー検出器が作られている
本年は…
①Si検出器をピクセル構造を持つものに変更する②各ピクセルに番号を振り、識別できるようにする③各ピクセルのエネルギー損失を得られるようにする
1 Mar. 2021

• B4DetectorConstruction.cc• B4RunAction.cc• B4aEventAction.hh• B4DetectorConstruction.hh• B4aEventAction.cc• B4aSteppingAction.cc• Run2.mac

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

B4DetectorConstruction.cc

16→装置の構成を設定するファイル
void B4DetectorConstruction::DefineMaterials(){// NIST is GEANT4 Material Database. Instance() func. is static.
auto nistManager = G4NistManager::Instance();// Air, BGO and Si defined using NIST Manager.
nistManager->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");
nistManager->FindOrBuildMaterial("G4_BGO");
nistManager->FindOrBuildMaterial("G4_Si");// Liquid argon material (original example).
// G4double a; // mass of a mole;// G4double z; // z=mean number of protons;// G4double density;// new G4Material("liquidArgon", z=18., a=39.95*g/mole,density=1.390*g/cm3);// The argon by NIST Manager is a gas with a different density// Print materials
G4cout << *(G4Material::GetMaterialTable()) << G4endl;}// Define Volumes.
G4VPhysicalVolume* B4DetectorConstruction::DefineVolumes(){// Geometry parametersG4int nofLayers = 3; // Presampler.
G4double absoThickness = 11.2*mm; // BGO 1X0.
G4double gapThickness = 0.3*mm; // Si thickness.
//G4double gapThickness = 10.*mm; // Si thickness.
G4double calorSizeXY = 5.5*cm; // Same cross section as Belle
CsI.
auto layerThickness = absoThickness + gapThickness;:
auto calorThickness = nofLayers * layerThickness;
auto worldSizeXY = 1.2 * calorSizeXY;
auto worldSizeZ = 1.2 * calorThickness;// Get materials, sould be consistent with DefineMaterials().
auto defaultMaterial = G4Material::GetMaterial("G4_AIR");
auto absorberMaterial = G4Material::GetMaterial("G4_BGO");
auto gapMaterial = G4Material::GetMaterial("G4_Si");

1 Mar. 2021

使用する物質の設定
nist…物質の性質が登録されている
データベース
今回はnistに登録されている物質を使用したのでこのように書いた装置の大きさの設定

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

B4DetectorConstruction.cc

17

Si検出器の設定

World//---// Gap//---G4int ndivx = 5;
G4int ndivy = 5;

Colorimeter
Layer

入子構造で

auto gapS= new G4Box("Gap", // its namecalorSizeXY/ndivx/2, calorSizeXY/ndivy/2, gapThickness/2);// its size has been modified.

設定されている

AbsorberGap

auto gapLV= new G4LogicalVolume(gapS, // its solid
gapMaterial, // its material"Gap"); // its name// GI Added 20201210.
for(G4int ix=0; ix<ndivx; ++ix){
for(G4int iy=0; iy<ndivy; ++iy){
G4int ipix = ix*ndivx+iy;
fGapPV[ipix]= new G4PVPlacement(
0, // no rotation
G4ThreeVector(-calorSizeXY/2+(ix+0.5)*calorSizeXY/ndivx,-calorSizeXY/2+(iy+0.5)*calorSizeXY/ndivy,
absoThickness/2), // its position
gapLV, // its logical volume"Gap", // its namelayerLV, // its mother volume
false, // no boolean operation
ipix, // copy number,should be incremented.
fCheckOverlaps); // checking overlaps}}

1 Mar. 2021

1Layer

Si検出器

入射方向

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

BGO結晶シンチレータ

Ikumi Goya

B4DetectorConstruction.cc

18

Si検出器の設定//---// Gap//---G4int ndivx = 5;
G4int ndivy = 5;x軸、y軸方向の分割数を定義(5 5の1.1cm 1.1cm角に分割する場合)

auto gapS= new G4Box("Gap", // its namecalorSizeXY/ndivx/2, calorSizeXY/ndivy/2, gapThickness/2);// its size has been modified.
auto gapLV= new G4LogicalVolume(gapS, // its solid
gapMaterial, // its material"Gap"); // its name

ピクセル番号// GI Added 20201210.
for(G4int ix=0; ix<ndivx; ++ix){
for(G4int iy=0; iy<ndivy; ++iy){
G4int ipix = ix*ndivx+iy;
fGapPV[ipix]= new G4PVPlacement(
0, // no rotation
G4ThreeVector(-calorSizeXY/2+(ix+0.5)*calorSizeXY/ndivx,-calorSizeXY/2+(iy+0.5)*calorSizeXY/ndivy,
absoThickness/2), // its position
gapLV, // its logical volume"Gap", // its namelayerLV, // its mother volume
false, // no boolean operation
ipix, // copy number,should be incremented.
fCheckOverlaps); // checking overlaps}}

1 Mar. 2021

PV…Physical Volume
PVを用いると設定した物質が配置される
Si検出器はGap部分に当たるので、fGapPVを使用
Si検出器をピクセル分割する必要があるので配列を使用した

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

// Create directories//analysisManager->SetHistoDirectoryName("histograms");//analysisManager->SetNtupleDirectoryName("ntuple");analysisManager->SetVerboseLevel(1);analysisManager->SetNtupleMerging(true);// Note: merging ntuples is available only with Root output// Book histograms, ntuple// Creating histograms
analysisManager->CreateH1("Eabs","Edep in absorber", 100, 0.,800*MeV);
analysisManager->CreateH1("Egap","Edep in gap", 100, 0., 100*MeV);
analysisManager->CreateH1("Labs","trackL in absorber", 100, 0.,1*m);analysisManager->CreateH1("Lgap","trackL in gap", 100, 0., 50*cm);// Creating ntuple
analysisManager->CreateNtuple("B4", "Edep and TrackL");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("Eabs");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("Egap");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("Labs");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("Lgap");// KM Add 20200216, energy deposit in each layer.
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EabsL0");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EgapL0");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EabsL1");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EgapL1");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EabsL2");
analysisManager->CreateNtupleDColumn("EgapL2");// GI Add 20201026, energy deposit in each pixel
G4int nl = 3;
G4int ndivx = 55;
G4int ndivy = 55;
std::stringstream ss;for (G4int il=0; il<nl; ++il){for (G4int ix=0; ix<ndivx; ++ix){
for(G4int iy=0; iy<ndivy; ++iy){
ss.str("");
ss<<"EgapL"<<il<<"P"<<ndivx*ix+iy;
analysisManager->CreateNtupleDColumn(ss.str().c_str());}}}
analysisManager->FinishNtuple();}1 Mar. 2021

→ヒストグラムの作成やNtupleの作成などを行う

19

シミュレーション１回を１eventといい、eventの集合のことをrunと呼ぶ。更に、1event中の1つの相互作用をstepと呼ぶ。
ヒストグラムの作成

Run
Event
Step
Step
…

B4RunAction.cc

Ntupleの作成(確保）

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

B4aSteppingAction.cc

20→layer番号とpixel番号を得て各関数に引数として渡す
if ( volume == fDetConstruction->GetAbsorberPV() ) {// KM Added 20200216.
G4int lyrid= step->GetPreStepPoint()->GetTouchableHandle()->GetReplicaNumber(1);fEventAction->AddAbs(edep,stepLength,lyrid);// fEventAction->AddAbs(edep,stepLength); // original}for(G4int ipix=0; ipix<3025 ; ++ipix){
if ( volume == fDetConstruction->GetGapPV(ipix) ) {if( edep > 0.05 ){ //GI Added 20210202.
// get layer number (replica Number)// KM Added 20200216.
G4int lyrid= step->GetPreStepPoint()->GetTouchableHandle()->GetReplicaNumber(1);// GI Added 20201030.
fEventAction->AddGap(edep,stepLength,lyrid,ipix); // GI Added 20201030.
// fEventAction->AddGap(edep,stepLength,lyrid); // KM Added 20200216.
// fEventAction->AddGap(edep,stepLength); // original.
}}}

B4aEventAction.ccでは、
Ntupleに各情報をFillする<B4aEventAction.hhより>// GI Added 20201207.------------inline void B4aEventAction::AddGap(G4double de, G4double dl, G4int lyr=-1, G4int Pix=-1){
fEnergyGap += de;fTrackLGap += dl;if(lyr!=-1) fEnergyGapLyr[lyr] +=de;if(Pix!=-1) {if(lyr==0) fEnergyGapL0Pix[Pix] +=de;else if(lyr==1) fEnergyGapL1Pix[Pix] +=de;else if(lyr==2) fEnergyGapL2Pix[Pix] +=de;}}

ヘッダーファイル B4aEventAction.hh中でAddGap関数が定義されている。
AddGap関数はGap(Si検出器部分）でのエネルギー損失をstep毎に足し合わせる関数である

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

run2.mac

21→シミュレーションを実行する時に読ませるマクロファイル# Macro file for example B4## To be run preferably in batch, without graphics:# % exampleB4[a,b,c,d] run2.mac##/run/numberOfWorkers 4/run/initialize## Default kinemtics:# electron 50 MeV in direction (0.,0.,1.)/gun/particle gamma/gun/energy 1000 MeV#/gun/position 600 600 0 mm#/gun/direction 0 0 1## 1000 events#/run/printProgress 100/run/beamOn 1000

入射粒子：γ線
入射粒子のエネルギー：1000MeV

何イベント毎に表示するか：100イベント
何イベント行うか：1000イベント

シミュレーションが走るとAbsorber、Gapのピクセル毎のエネルギー損失が書き込まれたrootﬁleが生成される→解析用のマクロファイル を作成する
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

解析用マクロ22①各ピクセル毎の中心位置の座標を定義する
pos_define[ipix][0] = -calorSizeXY/2+(ix+0.5)*calorSizeXY/ndivx; //x座標
pos_define[ipix][1] = -calorSizeXY/2+(iy+0.5)*calorSizeXY/ndivy; //y座標
ipix:ピクセル番号
27.5

4

9

14

19

24

event毎に

3

8

13

18

23

②シリコンのlayer毎にシャワーの中心位置を決定する

2

7

12

17

22

③②で得た点を結ぶことによりγ線の到来方向を決定する

-27.5

0

27.5

1

6

11

16

21

0

5

10

15

20

-27.5

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

解析用マクロ23②シリコンのlayer毎にシャワーの中心位置を決定する
ピクセル毎のエネルギー損失で重心を計算する
for(int il=0; il<nl; ++il){

Epix[iEpix]：layer番号il、pixel番号ipixのエネルギー損失[MeV]

int npix = 0;

EgapL[il]：layer番号ilのエネルギー損失[MeV]

for(int ix=0; ix<ndivx; ++ix){
for(int iy=0; iy<ndivy; ++iy){
int ipix = ndivx*ix+iy;
int iEpix = ipix + il*ndivx*ndivy;

Si検出器が検出できる電子のエネルギー損失は50keV以上であるから
0.05MeV以上の条件を設けたif(Epix[iEpix]>0.05){
pos[il*3] = pos[il*3] + pos_define[ipix][0]*Epix[iEpix]/EgapL[il];pos[il*3+1] = pos[il*3+1] + pos_define[ipix][1]*Epix[iEpix]/EgapL[il];

//x座標
//y座標

++npix;}}}}

1 Feb. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

解析用マクロ24③②で得た点を結ぶことによりγ線の到来方向を決定する
Vgammaベクトル
入射方向

d[1]

θ

d[0]

d[2]

R[0]

θ

・γ線の入射位置は(x,y,z)=(0,0,0)に固定した
・3layerとも鳴ったシリコンピクセルがあり、シャワーの中心位置が求められたeventに限定した
プリシャワー検出器で再構成するγ線の方向を極角θと方位角φで表す。
入射位置である(x,y,z)=(0,0,0)からθとφで決まる方向に直線を伸ばし、
各layerで求めたシャワーの中心位置からの距離の二乗和を最小にするθとφを求めることとした。
1 Feb. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

解析用マクロ25//analyze function--------------------------------------------------//
std::vector<double> LeastSquares(double pos0,double pos1,double pos3,double pos4,double pos6,double pos7){
double PI = acos(-1.0);①で決定したγ線の通過位置を引数として与える

double calorSizeXY = 55.0 ;double absoThickness = 11.2 ;double gapThickness = 0.3 ;double pos2 = absoThickness+gapThickness/2;
double pos5 = absoThickness*2+gapThickness*3/2;
double pos8 = absoThickness*3+gapThickness*5/2;
double R[3];//length from incident position
double d[3];//length from Vgamma vector
for(int i=0; i<3; ++i){
R[i] = 0.;d[i] = 0.;}// double x = 100.;// double y = 100.;

d[1]
R[0]

θ

double d2 = 9999.0;
std::vector<double> angle = {100.,100.};
std::vector<double> Vgamma = {0.,0.,0.};
//
//

//
//
//
//
//
//

R[0]

for(double px=-2.75; px<=2.75; px+=0.01){
for(double py=-2.75; py<=2.75; py+=0.01){
for(double phi=-PI/2; phi<=PI/2; phi+=0.001){
for(double theta=0.0; theta<PI/2; theta+=0.001){
Vgamma[0] = sin(theta)*cos(phi);
Vgamma[1] = sin(theta)*sin(phi);
Vgamma[2] = cos(theta);d[0]ptheta[0]Vgammaベクトル

double posd0 = pos0 - px;
double posd1 = pos1 - py;
double posd3 = pos3 - px;
double posd4 = pos4 - py;
double posd6 = pos6 - px;
double posd7 = pos7 - py;

1 Feb. 2021

d[2]

d[0]

１

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

解析マクロ26

R[0] = sqrt( pow(pos0,2.0) + pow(pos1,2.0) + pow(pos2,2.0));
R[1] = sqrt( pow(pos3,2.0) + pow(pos4,2.0) + pow(pos5,2.0));
R[2] = sqrt( pow(pos6,2.0) + pow(pos7,2.0) + pow(pos8,2.0));//layer0//layer1//layer2//R[0] = sqrt( pow(posd0,2.0) + pow(posd1,2.0) + pow(pos2,2.0));//R[1] = sqrt( pow(posd3,2.0) + pow(posd4,2.0) + pow(pos5,2.0));//R[2] = sqrt( pow(posd6,2.0) + pow(posd7,2.0) + pow(pos8,2.0));//layer0//layer1//layer2d[1]double ptheta[3];ptheta[0] = acos((pos0*Vgamma[0]+pos1*Vgamma[1]+pos2*Vgamma[2])/R[0]);ptheta[1] = acos((pos3*Vgamma[0]+pos4*Vgamma[1]+pos5*Vgamma[2])/R[1]);ptheta[2] = acos((pos6*Vgamma[0]+pos7*Vgamma[1]+pos8*Vgamma[2])/R[2]);//layer0//layer1//layer2//ptheta[0] = acos((posd0*Vgamma[0]+posd1*Vgamma[1]+pos2*Vgamma[2])/R[0]);//ptheta[1] = acos((posd3*Vgamma[0]+posd4*Vgamma[1]+pos5*Vgamma[2])/R[1]);//ptheta[2] = acos((posd6*Vgamma[0]+posd7*Vgamma[1]+pos8*Vgamma[2])/R[2]);

d[2]

d[0]
R[0]

θ

//layer0//layer1//layer2

double pd2 = 0.;
for(int i=0; i<3; ++i){d[i] = R[i]*sin(ptheta[i]);pd2 += d[i]*d[i];}if(pd2 < d2){
d2 = d2;
angle[0] = theta; // theta
angle[1] = phi;// phi//x = px;//y = py;
}

R[0]
d[0]
ptheta[0]γ線の到来方向

}
//
//

}
}

１

}
return angle;}

1 Feb. 2021

Θ、φの値の入ったvectorを返す

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

目次

27

1.背景
2.目的
3.方法
4.結果
5.まとめ

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

鳴ったピクセルの数

28

3layer 11mm 11mm（25枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に鳴ったピクセルの数（縦軸：イベント数
the number of pixels hit in layer05000

横軸：なったピクセル数）

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

the number of pixels hit in layer0

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

Entries

10000

Entries

10000

Entries

10000

Mean

0.5672

Mean

0.948

Mean

1.172

Std Dev

0.5768

Std Dev0.7031

Std Dev

0.7104

4000

6000

5000

5000

4000

3000

6000

4000

3000

3000

2000
2000

2000

1000

1000

1000

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24• 鳴っていないピクセルの割合は、layer0:約48% layer1:約23% layer2:約11%• 鳴ったピクセルが1枚の割合は、layer0:約49% layer1:約62% layer2:約65%→ほとんどのlayerでピクセルは1枚しか鳴っていないので、ピクセルの大きさが大きすぎる
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

鳴ったピクセルの数

29

3layer 5mm 5mm（121枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に鳴ったピクセルの数（縦軸：イベント数
the number of pixels hit in layer0

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer04500

横軸：なったピクセル数）

Entries

10000

Mean

0.6223

Std Dev

0.69044500
4000

the number of pixels hit in layer2

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

Entries

10000

Entries

10000

Mean

1.331

Mean

1.825

Std Dev

1.171

Std Dev

1.296

3500

4000
3500

3000

3000

2500

2500

2500

2000

2000

2000

1500
1500

1500
1000

1000

500

500

0
0

3000

3500

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

1000
500

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24• 鳴っていないピクセルの割合は、layer0:約47% layer1:約22% layer2:約11%• 鳴ったピクセルが1枚の割合は、layer0:約45% layer1:約45% layer2:約37%→25枚分割の時よりも鳴るピクセル数は増えたが、1枚しか鳴っていないイベントが多いのでまだピクセルが大きい
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

鳴ったピクセルの数

30

3layer 2.5mm 2.5mm（484枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に鳴ったピクセルの数（縦軸：イベント数
the number of pixels hit in layer0

横軸：なったピクセル数）

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

the number of pixels hit in layer04500

Entries

10000

Mean

1.205

Std Dev

1.37

2400
2200

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

Entries

10000

Entries

10000

Mean

2.472

Mean

3.144

Std Dev

2.065

Std Dev

1.982

2000

4000

2000

1800

3500

1800

1600

1600

1400

3000

1400
2500

1200

2000

1000

1000
800

800

1500

600

600

1000
500
0
0

1200

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

400

400

200

200

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24• 鳴っていないピクセルの割合は、layer0:約47% layer1:約23% layer2:約11%• 鳴ったピクセルが1枚の割合は、layer0:約10% layer1:約9% layer2:約8%→2枚以上のピクセルが鳴ったイベント数が増えた。ピクセルが1枚だけ鳴ったイベントの数が他のイベントに比べて明らかに少ない
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

鳴ったピクセルの数

31

鳴らなかったイベント数はおよそ同じ割合だが、１枚だけ鳴ったイベント数は484枚にカットしている時の方が少ない→分割数を増やした方が鳴るピクセル数は増加するはずである

484枚に分割した場合のみ偶数枚にカットしていることが原因ではないか→ピクセルの中央に入射するように入射位置をずらした
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に鳴ったピクセルの数
210

232

254

（縦軸：イベント数

276

the number of pixels hit in layer0

209

231

1.25mm

中心

208

230

253

275

Entries

10000

Mean

0.7283

Std Dev

0.9316

4000

3000

the number of pixels hit in layer2

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

Entries

100002000

Entries

10000

Mean

1.902

Mean

2.727

Std Dev

1.8761800

Std Dev

1.982

2500

1600
1400

1.25mm252

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer05000

横軸：なったピクセル数）

274

2000

3000

1200
1000

1500
2000

207

229

251

273

800

1000

600

1000

400

500

200

2.5mm

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

1枚ピクセルが鳴ったイベント数が増加し、奇数枚に分割した場合と似た分布形になった→偶数枚に分割する場合には入射位置がピクセルの境界部分になることに注意しなければならない→入射位置を変更してシミュレーションを行う場合にも入射位置に気をつける必要がある
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

鳴ったピクセルの数

32

3layer 1mm 1mm（3025枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に鳴ったピクセルの数（縦軸：イベント数
the number of pixels hit in layer0

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer0

5000

Entries

10000

Mean

0.9913

Std Dev

横軸：なったピクセル数）

1.478

2400
2200

the number of pixels hit in layer2

the number of pixels hit in layer1

the number of pixels hit in layer2

Entries

10000

Entries

10000

Mean

2.953

Mean

4.022

Std Dev

3.105

Std Dev

2.996

1200

2000

4000

1000

1800
1600
3000

800

1400
1200

2000

600

1000
800

400

600

1000

400

200

200
0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24

0
0

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24• 鳴っていないピクセルの割合は、layer0:約48% layer1:約23% layer2:約11%• 鳴ったピクセルが1枚の割合は、layer0:約30% layer1:約18% layer2:約12%→複数枚鳴るイベントが多数見られる
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

電磁シャワーの中心位置

33

3layer 1mm 1mm（3025枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合の電磁シャワーの中心位置のx座標（縦軸：イベント数

横軸：座標[mm]）Layer0Layer1

Layer2

pos[0]

pos[3]

pos[6]

pos[0]
3500

Entries

10000

Mean

0.01283

Std Dev

1.184

3000

pos[3]
3000

Entries

10000

Mean

−0.0224

Std Dev

1.357

2500

pos[6]
2500

Entries

10000

Mean

−0.004723

Std Dev

1.447

2000

2500
2000
1500
2000
1500
1500

1000
1000

1000
500

500
0
−30

500

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

0
−30

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

0
−30

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

• 約1.5mmの分解能で電磁シャワーの中心位置を得られた
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goyaθ

34

3layer 1mm 1mm（3025枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合に再構成したγ線の方向を示す極角θ（縦軸：イベント数

横軸：theta[rad]）

theta
theta

2500

Entries

5154

Mean

0.03524

Std Dev 0.03452

2000

1500

1000

500

0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

• 約0.03radiationの分解能で再構成したγ線の方向を示す極角θを得られた
1 Mar. 2021

0.9
1
[radian]シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

目次

35

1.背景
2.目的
3.方法
4.結果
5.まとめ

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

まとめ

36

・プリシャワー検出器を導入することを検討するにあたり、Si検出器をピクセル構造を持つものに変更し、シミュレーションをすることができた
・1.1cm角のピクセルでは大きすぎたので、1mm角のピクセルまでシミュレーションを行った
・1mm角のピクセルにしたとき、シャワーの中心位置の分解能は約1.5mmであった。
・再構成したγ線の方向を示す角度θの分解能は約0.03radiationと得た（ただし、入射位置はシミュレーションで既知の(x,y,z)=(0,0,0)に固定）。
・今後、本研究を高度化する取り組みとして、入射方向が変化した場合、入射位置が変化した場合、到来方向に加えて入射位置もフリーパラメーターにした再構成を試みる、といった項目があげられる。

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

ご静聴ありがとうございました！

めも1 Mar. 2021

38

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

KEK (High Energy Accelerator Research Organization)

39

V0 distribution
Phase3 r1976 (Lumi run)

nn

1 Mar. 2021'.367?<1.4*:0.*57=6<7/<1.+.*5
2;,75260/:75<1.'+.447?;:.0276– Must be a large contribution to the beam BG (at least
CDC)%1.:.-=,<2767/<12;,75876.6<2;.;;.6<2*4<7*,12.>.1201.:4=5267;2<A
シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

カロリメーター
全吸収型カロリメーター

40
サンプリングカロリメーター

・結晶シンチレータなどカロリメーターを構成する

・プラスチックシンチレータなど鉄やタングステンと全物質が検出器であるもの

検出器を交互に設置しているもの

・エネルギー分解能に優れる

・エネルギー分解能はある程度劣るが、奥方向への位置分解能が得られる

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

カロリメーター

41

全吸収型カロリメーター

サンプリングカロリメーター

・物質量の大きな検出層を持つ・エネルギー分解能に優れている

・物質量の大きな吸収層と物質量の小さな検出層を持つ
・全吸収型に比べてエネルギー分解能は劣るが、検出器を細分化すると近接したシャワーの分離が可能になる

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

42

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

43

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

44

50MeV 3Layer

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

45

100MeV 3Layer

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

46

200MeV 3Layer

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

47

500MeV 3Layer

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

今野先輩の卒論スライドより

48

1000MeV 3Layer

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

プリシャワー検出器の物質

49

吸収層：BGOシンチレータ
・酸化物の一つであり、無色透明の物質
・γ線などの高エネルギー粒子に照射されると、ピーク波長480nmの緑色蛍光を発光する
・蛍光減衰時間：300ns→ Belle Ⅱ検出器の電磁カロリメーターに使用されているものと比較すると短い・密度 7.13 g/cm^3(吸収層：LYSOシンチレータ)
・放射長：11.4mm
・密度：7.4g/cm^3・蛍光減衰時間:：約40ns

検出層：シリコン
・密度2.33 g/cm^3

1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya

電磁シャワーの中心位置

50

3layer 1mm 1mm（3025枚）に分割した場合
1GeVのγ線を打ち込んだ場合の電磁シャワーの中心位置のy座標（縦軸：イベント数

横軸：座標[mm]）Layer0Layer1

Layer2

pos[1]

pos[4]

pos[7]

pos[1]
3500

Entries

10000

Mean

0.01754

Std Dev

3000

1.24

pos[4]
3000

Entries

10000

Mean

0.01083

Std Dev

1.355

pos[7]
2500

Entries

10000

Mean

0.01823

Std Dev

1.428

2000

2500

2500
2000

1500

2000
1500
1500

1000
1000

1000
500
500

500
0
−30

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

0
−30

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

0
−30

−20

−10

0

10

20

30
[mm]

• 約1.5mmの分解能で電磁シャワーの中心位置を得られた
1 Mar. 2021

シリコンピクセルを用いたプリシャワー検出器のGeant4シミュレーションによる検討

Ikumi Goya