KOPIO実験の開発と現状
京都大学 高エネルギー研究室
森井 秀樹
Contents
 KOPIO実験とは 日本グループによる R&D
 KOPIO実験の展望

2004/03/09

科研費特定領域研究会「質量起源と超対称性物理の研究」@エポカルつくば

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KOPIO実験

KOPIO実験の物理と目的
KOPIO：KL→π0νν測定実験＠BNLzzz

小林･益川行列の複素パラメータ決定
Br(KL→π0νν) ∝ η2 〜3×10-11(SM)−CP対称性の破れを特徴づける−理論的不定性の少ない
スーパークリーンモードの一つ
K中間子系のみでユニタリ三角形を構成―
荷電K中間子の結果と合わせることで標準模型を越える物理に感度―
K中間子系とB中間子系での比較

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KOPIO実験

KOPIO実験のConcept


イベントの同定
KL→π0νν「π0からの2γ」 かつ 「他は何も検出しない」→2γ稀崩壊事象 & 終状態に検出可能な粒子がπ0のみ→バックグラウンドの除去が重要
例えば… KL→2π0 →γγγγ

崩壊領域を完全に覆うveto

KLのTOF“microbunch” beam
(25MHz、width 200ps)

π0→2γ崩壊の再構成
光子の位置、エネルギー、角度、時間を測定

運動学的なカット
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KOPIO実験

KOPIO Detector

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KOPIO実験

KOPIO Detector ー 日本グループの役割

Beam Catcher
中性ビーム中のγ線veto検出器

日本グループの担当
Eye-Pipe Veto
カロリメータ内壁の荷電粒子veto検出器
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KOPIO実験

KOPIO実験のGoal

約40信号イベントの観測
S/N比 〜２
バックグラウンド
13KL → π0π0
KL → π0π+π1
KL → π-e+νγ4

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日本グループの活動

日本グループの活動 2002-2003
Beam Catcher

第二次プロトタイプによる原理テスト
シミュレーションによる具体的な設計
エアロジェル品質管理システムの開発

zzz

―
―

透過率測定システム
チェレンコフ発光量測定システム

荷電粒子Vetozz

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高量子効率PMTの性能評価
シンチレータ + 波長変換ファイバーでの光量測定

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Beam Catcher

Beam Catcherとはビームホールを覆うγ線veto検出器
光子に対しては高検出率―

300MeVのγに対して98%以上

高レート中性ビーム中に置かれる→ビーム中に大量にある中性子に対して不感―

0.8GeVの中性子に対して0.2%以下

このような要求を満たすため…
チェレンコフ閾値型カウンタを分散配置z鉛コンバータ+エアロジェル―z

top view

エアロジェルを用いることで低速粒子に不感モジュールを多数配置し、ビーム方向にCoincidenceをとる

side view→中性子からのBackgroundを落とす
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Beam Catcher

Beam Catcherとは
 γ線に対するイベントディスプレイ
top view

top view

電磁シャワーは前方へ広がる→ビーム方向にコインシデンス

side view

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 中性子に対するイベントディスプレイ

2次粒子は等方的→ビーム方向にコインシデンス確率低side view

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Beam Catcher R&D

Beam Catcher Prototype
 第２次プロトタイプを製作

Cherenkov発光量z ハドロン反応→これらがシミュレーションの予測と一致するか？
z Beam Testz

KEK PS T1 ビームラインでテスト
2mmt

11mmt×5枚
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Beam Catcher R&D

Prototypeによる性能評価1 : 発光量の評価
 Cherenkov発光量測定
z

γ線(or電子)の代わりにπ+を使用

 測定結果シミュレーションによる予測の0.89倍
z β依存性はよく一致
z1/β2依存性

シミュレーションの0.89倍

屈折率は一致2004/03/09

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Beam Catcher R&D

Prototypeによる性能評価2 : ハドロン反応測定
 ハドロン反応測定z

中性子の代わりに陽子を使用

 陽子に対する検出効率z

ガスシンチレーションを含めるとシミュレーションによる予測と一致

陽子検出効率の運動量依存性

ほぼ一致

陽子運動量 (GeV/c)
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陽子運動量 (GeV/c)

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Beam Catcher R&D

シミュレーションを用いたBeam Catcherの設計
 設計の指標zプロトタイプの約２倍のサイズ―z

従来のエアロジェル
SP-50

高透過率エアロジェル
IY-46

均一かつ高い光子検出効率を持つこと

約500モジュールを分散配置―

量産が容易であること

 設計の手順z

光学系の設計 (1モジュールでの最適化)
均一で高い集光率― シンプルなデザイン―z

光子検出効率を高める

分散配置での最適化 (多数モジュールでの最適化)
高透過率エアロジェルの採用― コンバータ配置― レイヤー数― 検出条件―

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光子検出効率を高める
and/or
中性子感度を落とす

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Beam Catcher R&D

シミュレーションによる性能評価 ─ 光子検出効率
 光子検出効率z エネルギー依存性

z 入射位置依存性―

鉛直方向が問題←電磁シャワーが上下に漏れる―

鉛直方向±10cmでほぼ均一

鉛直±10cmの範囲で99% @ 300 MeV→要求を十分満たす

高透過率従来品

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Beam Catcher R&D

シミュレーションによる性能評価 ─ 中性子不感性 中性子に対する検出効率z エネルギー依存性

0.3% @ 0.8 GeV→要求をやや上回る→要改善 : 時間分解能の向上など

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Beam Catcher R&D

Beam Catcher R&Dのまとめ
 第二次プロトタイプ
z

チェレンコフ発光量測定―z

シミュレーションによる予想と概ね一致

ハドロン反応測定―

ガスシンチレーションを含めると予想に一致

原理テスト完了

 シミュレーションを用いたBeam Catcherの設計
z

光子検出効率―z

十分要求を満たす

中性子検出効率―2004/03/09

やや要求を上回る → 時間分解能の向上で補える範囲

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ほぼ完了

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KOPIO実験Prospect

KOPIO実験の現状と今後の展望
 米国NSF予算要求z

RSVP(KOPIOを含む)は2005米国年度(2004年10月)から建設開始
 KOPIO全体

 日本グループz―zプロトタイプアレイ(小規模量産試験)

インストール

検出器R&D

ビームライン建設開始
̶ 検出器量産̶z 2007-2008年度

Beam Catcher量産

2008年度―

̶z 2005-2006年度

2006-2007年度―z

実機サイズプロトタイプによる性能評価

2005年度―zz 2004年度

2004年度̶z

検出器インストール

2009年度〜

エンジニアリングラン、物理ランへ
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Summary

Summary
 KOPIO実験 : KL→π0νν測定実験
 日本グループは検出器R&Dを進行中 Beam Catcherの開発

プロトタイプを用いた性能評価
z シミュレーションによる具体的な設計→ 検出器の量産に向けて順調に準備を進めているz 今後

日本グループは今年度に実機プロトタイプの製作を行い、その後少数量産試験を経て検出器の量産を行う
z KOPIO全体では来年度から検出器の量産、ビームラインの建設を開始する
z2004/03/09

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Beam Catcher R&D +Beam Catcherの設計 ─ 光学系の設計
z“Base Design”
平面鏡 + Winston coneファネル+ 5インチPMT― 平均集光率約23%

Base Design―zTop-and-Bottom型
集光率Base designの約1.35倍― 欠点
費用が約2倍―z

2軸パラボラ型

集光率Base designの約1.7倍― 欠点
光学系が複雑→量産性を考慮して“Base-design”を採用―

2004/03/09

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Top-and-Bottom
2軸パラボラ@エポカルつくば

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Beam Catcher R&D +Beam Catcherの設計 ─ 配置のパラメータと検出条件
 基本デザイン
z 屈折率

屈折率を高くすると 光量が増加
検出条件
低速粒子に対して感度上昇
後段1層 : Aかつ(B1+B2)→中性子不感性は?
― 1.03と1.05で中性子不感性はほとんど同じ―z 検出条件

コインシデンスに使用するモジュール数– ビーム方向に広げると光量が増加？
→直後1層の2モジュールの和で十分
z 検出の閾値
前段:後段 = 4pe:2peが最適z

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後段2層: Aかつ(B1+B2+C)

後段3層 : Aかつ(B1+B2+C+D1+D2)

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Beam Catcher R&D +最終デザインでの性能評価 ─ 最終デザイン
 Beam Catcherの最終デザインz

モジュールサイズ―z

従来のエアロジェル
SP-50

各層2mm厚モジュール数―z

高透過率エアロジェルIY-46 ←光量増加によって光子検出効率を高めるため
透過率 82% @ 470nm (従来品 68% @ 470nm)

鉛コンバータ―zBase-design (平面鏡 + Winston coneファネル + 5インチPMT)

エアロジェル―z←鉛直方向にアクセプタンスを持たせるため

光学系―z30cm×30cm

高透過率エアロジェル
IY-46

横方向14/15×ビーム方向25層

検出条件―

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前段4pe以上、かつ後段2モジュールの和2pe以上
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Beam Catcher R&D +最終デザインでの性能評価 ─ KL不感性
 KLに対する検出効率
z 運動量依存性

0.14% @ 1GeV/c
崩壊によるγ線が検出の原因―

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z KLによるFalse veto確率

検出数 : 0.24イベント/マイクロバンチ
On-Timing条件 3ns/24ns→false veto確率3.0%

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