KEKB アップグレードに向けてのビームバックグラウンドについて

KEKB アップグレードに向けてのビームバックグラウンドに

ついて東北大学　修士１年

中野浩至

1/ ２ 0第１６回 ICEPP シンポジウム　東北大学　中野浩至

目次KEKB アップグレードビームバックグラウンド研究内容

KEKB アップグレード

2/ ２ 0第１６回 ICEPP シンポジウム　東北大学　中野浩至

B 中間子を作り、 CP 対称性の破れを検証。昨年１２月積分ルミノシティ 　　達成！

KEKB

１周３０１６ m

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8GeV 3.5GeV

(Since 1999)

Super KEKB へのアップグレード

標準理論を超える物理に迫るため積分ルミノシティ を目指す !

ビームを絞る！量を増やす！

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の 50 倍！

衝突頻度が上がり、ルミノシティが現在の約４０倍に！

衝突点ビームサイズ バンチ数

1500 個 / 周

2500 個 / 周

アップグレード計画の予定

20132010

First beam

2011 2012

IP ビームパイプの設計

IP ビームパイプ組み立て

検出器

Physics run

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2014

ビームバックグラウンド

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ビームバックグラウンドビームが原因のバックグラウンド。主な原因は３つ、

シンクロトロン放射で出てくるガンマ線

ビームパイプの残留ガスに散乱されたビーム粒子 ( ガス散乱 )

「おしくらまんじゅう」してはじかれたビーム粒子 (Touschek)

これらのバックグラウンドによる検出器への影響をシミュレーションで見積もる。

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ビームパイプの残留ガスに散乱されたビーム粒子 ( ガス散乱 )

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「おしくらまんじゅう」してはじかれたビーム粒子 (Touschek)

ビームを細く絞る　　　 Touschek の BG 量が増加。

IP 付近の真空が悪くなる　　　ガス散乱の BG 量が増加。

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アップグレードすると散乱が数十倍に !?

アップグレードによる BG 量の変化

散乱された粒子の行方これらの軌道から外れてしまった粒子は、ビームパイプに衝突し、シャワーを生成する。

もし、検出器の近くでシャワーが起きると、ノイズになってしまう。

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研究内容

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ビームパイプの設計

できるだけバックグラウンドを抑えるような、検出器付近のビームパイプを設計

シミュレーション設計

理想的なビームパイプ

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KEKB のシミュレーション

Super KEKB のシミュレーション

実物と比較

手順

担当東大、東北大

現在はこの段階

アップグレード　　　散乱が数十倍になると予想される。

シミュレーションの方法

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散乱された粒子を乱数を用いて生成する

検出器周辺をシミュレーションする (GEANT3 or 4)

ビームラインに沿って運ぶ (TURTLE)

拡大、断面図

Belle 検出器1 層目の SVD に落とすエネルギーを調べる。

2cm4m

15/ ２ 0第１６回 ICEPP シンポジウム　東北大学　中野浩至

シミュレーションの内容

ガス散乱の Bremsstrahlung を例に、KEKB の LER のシミュレーション結果をいくつか紹介。

散乱された粒子がどこに当たるのか

シャワーの発生位置と SVD への影響

マスクによる防御の効果

Bremsstrahlung

エネルギーを失う

E

磁石で「曲げられすぎ」てしまう

軌道を外れる

散乱された粒子が当たる位置

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「衝突点直前」と「衝突点後の磁石の後」の位置に hit している。

検出器付近で、散乱された粒子がどこに当たるのかを調べた

hit 位置 [cm]

hit 数

衝突地点

シャワーの位置と SVD への影響

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衝突点直前で生じたシャワーが SVD に当たっている事がわかる

どの位置にビームが当たることで SVD が影響を受けるかを調べた

hit 位置 [cm]

落としたエネルギー

衝突地点

マスクの効果

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可動マスク以前で散乱されたビームは SVD に影響しない

散乱された粒子を止める為のマスクの働きを確かめた

0 3016m （ 1 周）1800 2800

　 beam マスク、２カ所

SVD に落ちたエネルギー量 SVD に落ちたエネルギー量

散乱された位置 散乱された位置

マスクありマスクなし

マスク

まとめと今後の課題

今後、Super KEKB で生じるビームバックグラウンドの量を見積もり、ビームパイプの設計を進めていく。

KEKB はさらにビームを多く、細くし、ルミノシティを上げる。

19/ ２ 0第１６回 ICEPP シンポジウム　東北大学　中野浩至

ビームバックグラウンドの増加を抑える必要あり。

ビームパイプの形状を最適化

ビームバックグラウンドを見積もるため、シミュレーションを行っている。

デバッグのため、現行 KEKB のシミュレーションを行っている。

ありがとうございました

20/ ２ 0第１６回 ICEPP シンポジウム　東北大学　中野浩至

予備加速器について

ビームの不安定性

アップグレードにおけるその他の課題

主に、２種類の磁石が使われている。

　２極磁石　：　軌道を曲げる　４極磁石　：　収束させる

加速器について (1)

軌道と垂直な方向の振動を、ベータトロン振動という。

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

　ｘ収束、ｙ発散　ｘ発散、ｙ収束

加速器について

加速

減速 t

ここで通過（「バケット」という）

加速管内の電場は振動しているため、通過すべきタイミングが決まっている。

皿寿司米

バケットバンチ電子 /陽電子

KEK では、３〜４皿おきにビームを乗せている。

ビームの不安定性Wake field

電子雲、イオン化された残留ガス

ビームの通り道に集まってきて、邪魔をする。

Wake(航跡 )

バンチが通過したあとに残る電磁場の乱れを wake fieldという。

後続のバンチに影響。

アップグレードにおけるその他の課題

シグナル、バックグラウンドともに増加。「まぶしすぎて見えない」状態になる。

ピクセル検出器を用いる。放射線損傷についても配慮する。

検出器

冷却

ナノサイズまでビームを絞る技術

などなど・・・

Back up

KEKB

１バンチあたりの電子 /陽電子

1 周あたりのバンチ数

交差回数

衝突数

B 中間子生成

バンチビーム粒子（電子 /陽電子）は群れ（バンチ）を成して加速される。

結果

上：マスクなし下：マスクあり

マスクより前で散乱されたビーム粒子はほとんどカットされている。

SVD への放射量 .vs.散乱された位置のグラフ

[m]

[m]

Coulomb scattering

それぞれの散乱断面積散乱され具合がゼロのとき、断面積は発散する。

→範囲を指定する必要あり！

これより散乱が小さければ、悪さしないだろう。

シミュレーション範囲

Coulomb 散乱

Bremsstrahlung

で 104 (barn)

で 3.3 (barn)

散乱の頻度1 nTorr を仮定（ 10^-12 気圧）。

１）ビーム粒子が１周する間に散乱される回数　→ σ * 10^-11 　（回） ※ σ(barn) は Coul 104, brem 3.3

２）１秒あたり、いくつのビーム粒子がまわってるか　→ 10^19 　（個）

つまり、１秒あたり10^10 　回の Coulomb 散乱10^8 　回の bremsstrahlung　　（注）散乱の範囲によって断面積は大きく変わる。

残留ガスによる散乱２種類ある

Coulomb 散乱 Bremsstrahlung

向きが変わる エネルギーを失う

E

エネルギーを失うと磁石で「曲げられすぎ」てしまう

残留ガス

軌道を外れる

おしくらまんじゅうによる散乱

Touschekエネルギーが増えるものと減るもの　対で生じる

E

E

Touschek さんが見つけた。

バンチ

エネルギーが余計にあるものは、磁石で曲げられにくいエネルギーが足りないものは、磁石で曲げられすぎる

軌道を外れる