KOTO実験の中性ビーム中に置かれる荷電粒子検出器の開発・性能評価
中桐 洸太 (京都大学)
22nd ICEPP シンポジウム

1KOTO実験••

中性K中間子稀崩壊探索実験(@J-PARC)
0KL ! ⇡ ⌫ ⌫¯ 崩壊の世界初観測を目指す•

直接CPを破る崩壊•

SMでの崩壊分岐比が小さい(2x10-11)•

その理論的不定性も小さい(2%)

d¯sd¯dW

Vts

Z0tVtd⇤⌫⌫¯

CPを破る新物理に感度大 ＜崩壊ダイアグラムの１つ＞

status• 2013年5月に初めての物理ランを行い、100時間のデータ取得で先行実験の感度を達成• 2015年４-6月、10-12月にもデータ取得、現在その解析が進行中
2

実験原理とBeam Hole Charged Veto⌫
veto%counter

実験原理0⇡ ! 2 の2光子を検出

KL ! ⇡ ⌫ ⌫¯••calorimeter

0KL(⇡ 0 )検出不能BHCV

カロリーメータで２光子を観測⌫¯
全立体角を覆った検出器で他に何も検出されないことを保証
veto%counter

BHCV•

下流ビーム軸方向をカバーする荷電粒子検出器
KL ! ⇡ + ⇡ ⇡ 0 等によるBGを除去➡荷電粒子に対して99.5%以上の検出効率を要求

calorimeter+⇡KL(⇡ 0 )⇡BHCVKL ! ⇡ + ⇡ ⇡ 0 BGの一例
3

BHCVの置かれる環境＜BHCV全面での入射レート＞

BHCVは中性ビーム中に設置される•neutronincident
rate

mean
energy0.6 GHz

500 MeV

ビーム中に多量に残存する中性子・
gamma
0.6 GHz
10 MeV
光子と反応を起こし、不要なveto信号を発行(threshold : 1 MeV)
➡カロリメータで測定するπ0と同タイミングでveto信号があると本物の信号であっても検知できない (Accidental loss)
veto windowをcheckした時にBHCVに粒子検出の信号がある確率レートとveto window幅で決まる
4旧BHCVとアップグレードへの要請
22.5cm

旧版BHCV（2013.5）• ８枚の3mm厚プラスチックシンチレータ&PMT

2013.5 (24kW)

デザイン強度(300kW)•ゲイン変動•さらなるゲイン変動•

Rate: 6.0MHz•

Rate: 30MHz•

Accidental loss: 9%•

Accidental loss: 36%

22.5cmKL beam（レートは中性粒子由来が支配的）➡光子・中性子との反応を抑えるため、低物質量の検出器を開発
物質量を減らすことが重要➡ガス検出器
それでも高レート➡レート耐性必要•

Accidental loss 削減
veto windowを短く➡短いTime jitterThin GapChamber
5

BHCVとしてのThin Gap Chamberのデザイン
1.8	  mm1.4	  mmAu-­‐W	  φ50μm	  wire	  cathode	  plane	  30 cm

10本=1ch, 16ch読出
ガードワイヤー２本

低物質量のカソード面

30 cm

•

50μm厚ポリイミドフィルム＋グラファイト塗料•

バッファ領域で差圧を吸収、カソード面を平らに“速い”ガス

162 wires

カソード面の歪みを抑えるため差圧を吸収させる
バッファ領域

gas	  flow

Time jitter の短縮• 電子のドリフト速度が速いCF4を使用• 動作安定のためのクエンチガスとしてn-Pentaneを使用•（CF4:nPentane = 55:45）
6

小型試作機ビームテスト
小型試作機を作り、性能を評価
5	  cm• ガスボリューム 5 cm X 5 cm X 2.8 mm• ワイヤー長5cm

5	  cm• 11 wireまとめ読み出し + 両端にガードワイヤー• 東北大学電子光理学研究センターにて電子ビーム(500MeV/c)を用いてビームテストを行った

レート耐性試験(2.9kV)
Chamber波形(2.9kV)

1800

9ADC [ch]非検出率 v.s. HV20 msec spill
スピル長を6s-> 20msに変えて、高レートに8700
7­5%/ 100kHz/cm2
6600

inefficiency

10-155004400

10-2

efficiency > 99.5%

32300
110-3200
020406080100120
Rate [kHz]20[kHz/cm ]10-4

波形はpre-amp出力

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200

HV [V]

2.7kV以上で達成

300kWビームでの予測値➡KOTO実験で運用時に予想されるレート(~60kHz/cm2)で十分動作する事を実証

7

実機製作

8

インストール
2014年10月~2015年1月に製作作業
2015年1~2月にインストール作業
同様のChamberを３台積層して設置

目的•

放電等によるdead timeの回避•

３台中ドリフト距離の短い(早い)ものの時間を選ぶことでjitter短縮•KOTO実験エリア検出効率の向上

3台のうち２台以上にHitを要求
32
⌘
=⌘+C⌘
3 2 (1非検出率 total

KL beam=⌘)2⌘ 3 + 3⌘ 2 << ⌘ １台全体として99.5% 以上の検出効率を達成するためには、各moduleで95.9％以上の検出効率が必要
9Special run(検出効率測定)
BHCVの検出効率測定のためにBHCV上流にtrigger scintillatorを挿入してspecial runを行った(上流ビームプラグ閉、低レート環境)

setup

BHCV (operation voltage : 2.7 kV)

BHPV

high pμ±,π±
旧版BHCV
カロリーメータ

trigger scinti.

(22.5x22.5x0.3 cm3)

trigger scinti.

(20x20x0.5 cm3)

(22x22x0.5 cm3)
カロリーメータ下流部

上流、下流のシンチレータと旧版BHCVの３つのコインシデンスを要求BHPV：鉛＋エアロゲルの光子検出器（~6.2 X0）

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Special run 結果
h_Mod0MaxEne_wAllCut
160

ADC count

Data[2][0]:2*Iteration$ {Entry$==10}600

15500.9500

100ns

140

0.81200.71004500.675mV

400

0.5 800.4

3500.3300

60

p0.2 40250
200
01/4 MIP thresholdil
renim(HV:2.7kV)

0.1

100

200

300

400

ADC値をこの範囲で積分➡Energyに変換

500
[ns]

0yra20

000.5

1

1.5

22.5

3

newBHCVPeak[keV]

1module(16ch)中の最大Energy
deposit 分布➡ 1moduleで99.6％の検出効率を達成

11検出時間分布
カロリーメータ
2γ0→KL

RUN62 24kW でのデータ

h_2outof3_nomπ

BHCVπ+π-102p10ilrenimyra
カロリーメータの情報から再構成したπ0の崩壊時間と、BHCVの検出時間の時間差分布。
BHCVの時間は3レイヤーある中で、検出時間が最も中心値に近いものを採用➡実質的にtime jitterを短く=veto window

1-110-105-100-95-90

25ns

-85

-80-75-70[ns]を狭くできる！

12旧BHCVとのレート比較※旧版BHCV : 3mm 厚プラスチックシンチレータ
RUN62: 24kW
Rate
Veto Window
beam
新BHCV

2.5 MHz

25ns

threshold: 1/4 MIP

旧BHCV

6.2 MHz

15ns

threshold: ~1/2 MIP(2013年5月ランと同じ)

veto windowは広がるも、レート削減によってAccidental loss は9% -> 6% に減少※

レート・Accidetal lossはカロリーメータでKL->3π0が観測された時、どの位の割合でそのイベントがBHCVによってvetoされるかで算出
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まとめ•

KOTO実験の中性ビーム中で用いる荷電粒子検出器(BHCV)として30cm x 30cmをカバーするthin gap なMWPCを開発・インストールした

１moduleあたりの検出効率として99.6%を達成• 旧版のBHCVに比べ、レートを半分以上削減しBHCVによるAccidental loss を9%->6%に削減••

今後、4­6月及び10­11月に取得したデータを解析、Accidental lossを抑えて高感度でのKL->π0νν崩壊探索を行う

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