ニュートリノ反応の精密測定に向けた高位置分解能ファイバートラッカーの開発 京都大学高エネルギー物理学研究室平本綾美 rd ICEPP symposium

ニュートリノ反応の精密測定に向けた

高位置分解能ファイバートラッカーの開発

京都大学 高エネルギー物理学研究室 平本 綾美

2017.02.21 23rd _{ICEPP symposium}

T2K

実験

2 v J-PARCからニュートリノビームをスーパーカミオカンデまで飛ばす 　　長基線ニュートリノ振動実験 v 混合角θ₂₃の精密測定およびCP破れの位相δ_cpの観測をめざす v ニュートリノ反応断面積の不定性が現在約5%ある系統誤差の大きな要因 → ニュートリノ反応点周りの詳細な理解が必要

2p-2h反応による不定性

3 ] 2 [GeV/c recon - E true E 1 − −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 POT] 21 )/10 2 Events [/40(MeV/c 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 CCQE 2p2h 10 CCQE 2p2h 10 CCQE 2p2h 10× v T2Kの主なシグナルは CCQE (Charged Current Quasi ElasJc)反応 (＝レプトンのみでE_νを再構成できる) v 陽子が2本出てくる2p-2h反応の存在が 　 注目されている(CCQEの約10%) v 陽子を見ることができないスーパーカミオカンデで再構成されるニュートリノの エネルギー分布を変えてしまう v スーパーカミオカンデにおいて 正しく2p-2hを見積もりたい →陽子の飛跡が非常に短く（〜数cm）、 現在の前置検出器で直接観測が困難 　 より高い位置分解能の検出器で 　 2p-2hを直接観測して理解したい

E_true-E_recon [GeV/c] CCQE

原子核乾板を用いた測定

4 v 水/鉄ターゲットの原子核乾板検出器ECC v サブミクロンの位置分解能で 陽子の飛跡を見ることができる v 2018年後半に200kgの水ターゲット で観測を行う予定 → 2p-2h反応を直接観測し、 系統誤差の削減を目指す！

J-PARC T60/T66

実験

鉄ターゲット_ECC 2017年1月に設置した 水ターゲットECC　　 → 観測されたイベント

NINJA

実験

トラックマッチング

5 v ミューオンIDのために後ろにT2K前置検出器INGRIDを設置 　 → ECCとINGRIDのトラックマッチングを行う v ECCは時間分解能を持たない v INGRIDの位置分解能(~3cm)では ECCのトラックを1本にしぼることができない 　 → 両者をつなぐトラッカーをあいだに置く 　　→ ScinJllaJng Fiber Trackerの導入 要求性能 　- 200μmの分解能があること
 　- INGRID をおおう 1m×1m 以上の 　大きさが実現可能であること 　- なるべく少ないチャンネル数であること ECC Scintillating Fiber Tracker INGRID Δt = ∞ Δx ~ μm Δt ~ ns Δx = 3cm Δt ~ ns Δx = 200μm ν_μ ECCとINGRIDをつなぐ p μ

ScinJllaJng Fiber Tracker

6 v ファイバーによる位置検出： 2mm角ファイバーを使った時の位置分解能は？ 　　A)　そのまま並べる _{→ ~580μm} 　　B)　ずらして並べる _{→ ~290μm} 　　C)　→隣り合うファイバーの光量比を用いて位置を検出する新しいアイデア 　　本研究に限らず、パイルアップの心配がなければ汎用可能な 　　新しいファイバートラッカーのベンチマーク 　　この方法を用いて、より高い位置分解能を目指す！

光量比を用いた新たなアイデア

7 v ファイバーの光量をそれぞれN₁, N₂ と 　 すると粒子の通過した位置d は このとき_d のゆらぎ _{( = 位置分解能 ) は} となるので、ここから_{200μmの位置分解能に必要な光量がわかる} fib er charged par*cle d R Light yield in each fiber : N₁, N₂ Total light yield : N₁+N₂=N Fiber interval : R 2d 2(R-d) N1 N₂ → N₁+N₂ > 12.5p.e. (　　　　　　 　　 )

プロトタイプ検出器の制作

8

① ScinJllaJng fiber (Kuraray SCSF-78)

　　　- 2mm角ファイバー 　　　- 長い減衰長 　　　- 450nmの発光波長 ③ ファイバークッキー＋読み出しボード v  ファイバーの長さや条件の異なる複数のプロトタイプ検出器を製作し、 　　性能評価を行った ② 光検出器MPPC 　　　- 3mm角 64ch MPPCアレイ 　　　- 450nmに最高感度波長 ④ NIM EASIROCモジュール 　　　- 64chのMPPCを同時駆動 ② ① ③ フラットケーブルで 　　　　　_EASIROCへ ④

陽電子ビームによる性能評価

9 v 東北大学電子光理学研究センターにて_{675MeV/cの陽電子ビームを照射} 測定項目 　_{- ファイバーの光量測定} 　- 検出器のHit efficiency 　- 位置分解能の測定 　_{- 読み出しまでの距離と} 　　位置分解能の関係 　- ファイバーの条件を変えた測定 　_{- 位置分解能の入射角度依存性} MPPC + beam

位置分解能

10 fibe r 2Hits 1Hit cladding v 読み出しから15cmの位置にビームを照射 v ファイバーのcladが不感領域となり、 1Hitと2Hitsのイベントが存在 　→2Hitsのイベントを使って位置を再構成 v _{2レイヤー間で再構成された位置の差を} とることによって位置分解能を評価 reconstructed position [mm] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 events 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 3 10 × reconstructed position [mm] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 events 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 3 10 × 1Hit 2Hits reconstructed position [mm] reconstructed position [mm] e ve n ts e ve n ts

位置分解能

11 fibe r 2Hits 1Hit cladding v 読み出しから15cmの位置にビームを照射 v ファイバーのcladが不感領域となり、 1Hitと2Hitsのイベントが存在 　→2Hitsのイベントを使って位置を再構成 v _{2レイヤー間で再構成された位置の差を} とることによって位置分解能を評価 reconstructed position [mm] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 events 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 3 10 × 2Hits reconstructed position [mm] e ve n ts layer1 layer2 beam layer2 layer1

res Entries 6804 Mean 0.02621 RMS 0.2513 / ndf 2 χ 194.1 / 45 Constant 996.8 ± 16.3 Mean 0.02466 ± 0.00260 Sigma 0.2116 ± 0.0023 layer1-layer2 [mm] 3 − −2 −1 0 1 2 3 events 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 3 10 × res Entries 6804 Mean 0.02621 RMS 0.2513 / ndf 2 χ 194.1 / 45 Constant 996.8 ± 16.3 Mean 0.02466 ± 0.00260 Sigma 0.2116 ± 0.0023

位置分解能

(結果)

light_yield Entries 1374191 Mean 125.5 RMS 53.54

layer1 light yield [p.e.] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 events 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 light_yield Entries 1374191 Mean 125.5 RMS 53.54 v 光量は1レイヤーで100p.e. (>12.5p.e.) 　　→ 200μmの分解能を達成するのに十分 v 読み出しから_{15cmの位置で149.6±1.6μm} 　　(2レイヤーの差の1/√2) 　　→ MCでの93.1μmには達していない… ・悪化する原因 　- ファイバーのアラインメント 　- ファイバー端面のクオリティ 　- オプティカルクロストーク 　- フラットケーブル、エレキ関連 レイヤーの合計光量 _{2レイヤーで再構成された位置の差} 12 layer1 – layer2 [mm] light yield [p.e.]

e ve n ts e ve n ts

読み出しまでの距離と位置分解能の関係

13 85 cm 70 cm 50 cm Left

×

×

×

Right 15 cm 30 cm 50 cm v _{1mの長さの両読み検出器の3点にビームを照射} →15, 30, 50, 70, 85cmの位置での位置分解能を測定 v 両読みでの位置分解能も測定 →光量が増えるので位置分解能が良くなることが期待される

読み出しまでの距離と位置分解能の関係

(

結果

)

14 v 読み出し位置による分解能の変化 →光量が減るので位置分解能は悪化（光量の減衰で説明できる変化） v 両読みにすると光量が_{2倍になる: 位置分解能 127.8±1.3μm} →MIPミューオンに換算すると 163.2μm： _200μm以下を達成！ Distance from MPPC [cm] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resolution [ m] 120 130 140 150 160 170 180 190 200 χ2 / ndf 23.38 / 5 p0 3.797 ± 0 p1 72.42 ± 0.01482 / ndf 2 χ 23.38 / 5 p0 3.797 ± 0 p1 72.42 ± 0.01482 45 50 55 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Distance from MPPC [cm] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resolution [ m] 120 130 140 150 160 170 180 190 200 χ2 / ndf 23.35 / 3 p0 _{1.815 ± 0.1391} p1 _{221.8 ± 17} p2 _{72.41 ± 6.774} / ndf 2 χ 23.35 / 3 p0 _{1.815 ± 0.1391} p1 _{221.8 ± 17} p2 _{72.41 ± 6.774} Distance from MPPC [mm] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resolution [ m] 120 130 140 150 160 170 180 190 200 χ2 / ndf 23.35 / 4 p0 3.797 ± 0.5783 p1 72.41 ± 6.732 / ndf 2 χ 23.35 / 4 p0 3.797 ± 0.5783 p1 72.41 ± 6.732 μ μm both ends re so lu tio n [ μ m ] Distance from MPPC [cm]

その他の結果

15 v 入射粒子に角度があると位置分解能は悪化（入射角度依存性） →どこまで影響を減らすことができるかが今後の課題 v  オプティカルクロストークに関する測定： 反射材や黒ペイントをしない ほうが位置分解能はよい… 　▷反射材や黒ペイントを塗ると数％あったクロストークは抑制されるが、 光量が30%程度減るため位置分解能向上にはつながらない 　 → フラットケーブルのノイズなどを改善することで、これ以上の位置分解能 　　　 を得ることができる可能性がある

今後の展望

16 v さらなるチャンネル数の削減 →まとめ読み出しは可能か？ A B ECC SFT INGRID 1 2 3 4 A B C D MPPC v 大角度のときのトラックマッチング →INGRIDの角度情報を利用できる？ その他 　- アラインメント手法、_{J-PARCにおけるDAQシステムの最適化} 　- 光量による粒子識別はできるか？ ひとつの_MPPCで 4本のファイバー を読む →8chで16本 ビームテストの結果より、トラッカーが十分な光量を持ち垂直入射で_200μmの 位置分解能を達成可能であることがわかった_{→次のステップは？}

Summary

17 v T2K実験における系統誤差削減のため、原子核乾板を用いてニュートリノ 反応点周りの詳細な観測を行う実験が進行中 v 原子核乾板を用いた検出器_{ECCとT2K前置検出器INGRIDのトラックをつなぐ} 　　ため、2mm角ファイバーとMPPCを用いたScinJllaJng Fiber Trackerを開発 v 光量比を用いる新しいアイデアで200μmの位置分解能を目指す 　　▷ 陽電子ビームで127.8±1.3μmを達成 (両読み、読み出しから50cm) 　　　 →MIPミューオンに換算すると163.2μmを達成！ v 今後は実機に向けてエレキやDAQの最適化、トラックマッチングの手法の 　　確立などを行う

ì

Backup

ファイバーの条件を変えた測定

19 Hit Wavelength shi.er v シンチレーション光が隣のファイバーに 入ることにより、オプティカルクロストーク が発生する v 黒ペイント、反射材、オプティカルセメントを塗布し、光量やクロストーク が変化することにより、位置分解能がどのように影響を受けるかを調査 →5種類のファイバーを準備 1.  normal fiber 2.  black painJng 3.  reflector 4.  reflector + black painJng 5.  opJcal cement

1. normal 2. normal + black painting

3. reflector 4. reflector + black painting

5. optical cement

core clad

1. normal 2. normal + black painting

3. reflector 4. reflector + black painting

core clad

1. normal 2. normal + black painting

3. reflector 4. reflector + black painting

5. optical cement

core clad

1. normal 2. normal + black painting

3. reflector 4. reflector + black painting

5. optical cement

core clad

1. normal 2. normal + black painting

3. reflector 4. reflector + black painting

5. optical cement

core clad

ファイバーの条件を変えた測定

(結果)

20 Distance from MPPC [cm] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 resolution [ m] 120 130 140 150 160 170 180 190 200 45 50 55 120 130 140 150 160 170 180 190 200 μ

single end readout both ends readout

normal

normal + black painting

!reflector

reflector + black painting optical cement v normal fiberの位置分解能がいちばんよい v 黒ペイントや反射材などを塗ると クロストークは減るが光量が30%ちかく低下 →位置分解能が悪化、クロストーク抑制による大きな効果は見られない

light yield [p.e.] 0 50 100 150 200 250 300 events 0 50 100 150 200 250 300 350 400 normal normal+black painting p.e. 10 − −5 0 5 10 15 20 events 0 1 2 3 4 5 3 10 × normal normal+black painting 〜数％の クロストークを抑制 re so lu ti o n [ μ m ] Distance from MPPC [cm] pedestal [p.e.]

light yield [p.e.]

e ve n ts e ve n ts 光量が減少_… ペデスタルの光量 光量分布

2p-2h

反応補足

21

Proton Momentum [MeV/c]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 POT] 21 Events [/50cm/10 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 CCQE 2p2h 陽子の運動量〜数百MeV→ポリスチレン中で数cmしか飛ばない 赤い領域＝飛跡が5cm以下(=現在の前置検出器で見れない)

ニュートリノ反応のシミュレーション

22 0 1 2 3 4 5 6 POT] 21 )/10 2 Events[/100(MeV/c 0 500 1000 1500 2000 2500 CCQE 2p-2h CC 1pi CC Multipi CC Other NC 0 1 2 3 4 5 6 Events / 100 MeV 0 1000 2000 3000 4000 5000 CCQE 2p-2h CC 1pi CC Multipi CC Other NC E_ν [GeV] NEUT: v5.3.6 flux: v.11a 1.0×1021_{POTのデータを取得した時のニュートリノ反応数} 8,000イベント以上のCCQE反応および1,000イベント以上の2p-2h反応が見込まれる

原子核乾板

23 charged par*cle emulsion plastic emulsion 原子核乾板の顕微鏡写真 ・ プラスチックのうすい板にAgBrを含む乳剤を塗布 ・ 荷電粒子が通過することによって銀の結晶が生成→飛跡として観測 　サブミクロンの位置分解能、3~5mradの角度分解能

INGRID

24 side view top view cm cm cm cm ・ ニュートリノビームの方向をモニター ・ 14台のモジュールを十字形に配置 ・ 鉄ターゲット9層＋シンチレータ11層 　　　　　　厚み1.0cm幅5.0cm イベントディスプレイ→

ScinJllaJng Fiber

25 cm 0 50 100 150 200 250 Intensity [a.u.] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 / ndf 2 χ 0.0005931 / 23 p0 0.5103 ± 0.01134 p1 −0.03563 ± 0.00183 p2 _{0.6709 ± 0.01465} p3 _{−0.004108 ± 0.000132} / ndf 2 χ 0.0005931 / 23 p0 0.5103 ± 0.01134 p1 −0.03563 ± 0.00183 p2 _{0.6709 ± 0.01465} p3 _{−0.004108 ± 0.000132} measured in Kyoto Kuraray reference 減衰長　　短い成分：28.1±1.4cm、長い成分：243.4±7.8cm

MPPCの基本特性

26 MPPC2 Entries 64 Mean 63.48 RMS 0.1045 [V] bd V 63 63.1 63.2 63.3 63.4 63.5 63.6 63.7 63.8 63.9 64 entry 0 1 2 3 4 5 6 7 8 MPPC2 Entries 64 Mean 63.48 RMS 0.1045 MPPC1 Entries 64 Mean 63.53 RMS 0.09929 MPPC2 Entries 64 Mean 3.276 RMS 0.05793 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 entry 0 1 2 3 4 5 6 7 MPPC2 Entries 64 Mean 3.276 RMS 0.05793 MPPC1 Entries 64 Mean 3.354 RMS 0.1068 ΔV ・ 各チャンネルのブレークダウン電圧_{(Vbd)を測定→ΔVが一定になるように調整} MPPCアレイ各チャンネルのV_bd オーバー電圧（=印加電圧-Vbd）

MPPCの温度依存性

27

MPPC ch#

0 10 20 30 40 50 60

MPPC Gain [ADC counts]

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 C ° 10 C ° 15 C ° 20 C ° 25 C ° 30 測定中は温度を±1℃になるように調整

MPPC2 Entries 64 Mean 1.088 RMS 0.1051 relative PDE 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 entry 0 2 4 6 8 10 12 14 MPPC2 Entries 64 Mean 1.088 RMS 0.1051 MPPC1 Entries 64 Mean 0.9181 RMS 0.1013

MPPCのPDE

28 2.5m Blue light LED MPPC a rra y collimator ふたつのMPPCのPDE ・ PDE（Photon DetecJon Efficiency）の 　ばらつきを補正するために相対PDE 　を測定 →同じMPPCアレイでも10%程度ばらつく MPPC1のほうが低い原因は表面の傷？

EASIROC

29 ・ 160fC – 320pCのダイナミックレンジ ・ 入力信号は正の信号として波形整形 ・ ピークホールドによって信号を読み出す →ホールドタイミングの調整が必要(外部トリガー)

ビームテスト

DAQ

30 MPPC EASIROC PMT PMT Discri. Discri. Coin. Delay CAMAC ADC G.G. HOLD flat cable GATE MPPC EASIROC PMT PMT Discri. Discri. Coin. CAMAC ADC G.G.1 HOLD flat cable GATE MPPC flat cable FAN IN/OUT veto G.G.2 G.G.2 busy busy HOLD Delay Preset Scaler 1/3 EASIROC 片読み 両読み

Hit efficiency

31 0 1 2 3 4 5 6 7 Hit efficiency [%] 99.95 99.955 99.96 99.965 99.97 99.975 99.98 99.985 99.99 99.995 100 2 p.e. 4 p.e. 6 p.e. 8 p.e. 10 p.e. 20 p.e.

laye_r2 laye_r3 laye_r4 laye_r5 laye_r1 beam layer0 _layer6 layer1~5 レイヤーの定義 ・ Hit efficiencyを以下のように定義→99.9%以上を得た

位置再構成の補正

32 ・PDE補正 　MPPCアレイのPDEがばらつくことによる光量のばらつきを補正 ・Hit　Cluster補正 　MPPCのノイズにより誤った位置に再構成されるのをふせぐため、 　各レイヤーで最大光量を観測したレイヤーの両隣のチャンネルのみを 　位置の再構成に用いる ・Pile upイベントのカット 　EASIROCのペデスタルがトリガーレートに依存し、レートが高くなると 　ペデスタルが低下するため、ペデスタルの低いイベントをカット

ファイバー端面

33 クッキーの穴とファイバー 研磨によるダメージ

入射角度依存性

34 layer1 layer2 θ layer1-layer2 [mm] 3 − −2 −1 0 1 2 3 events 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 3 10 × simulation measurement 15 degree simulation measurement layer1-layer2 [mm] 3 − −2 −1 0 1 2 3 events 0 50 100 150 200 250 simulation _measurement 30 degree simulation measurement ・ 角度つき入射 　 0,5,10,15,30,45度 ・ 2レイヤーの差を 　 シミュレーションと比較 ・ 大まかに一致しているが、分布に広がりを 　 持っている →応答を理解 ・ 大角度になると垂直入射のように位置を 　 再構成できない →今後の課題

チャンネル数の見積もり

35 ・ 2mm角と1mm角の場合で比較（4本/MPPC chのまとめ読みを仮定） ・ 2mm角ファイバーをまとめ読みするとMPPCの面積が広くなる →ノイズの問題 ・ MPPCの価格は面積、ファイバーの価格は断面積に依存する →1mm角のほうがコストは低くできるかもしれない