CERN-SPS 重粒子照射による CALET 電荷検出装置の性能テスト

CERN-SPS 重粒子照射によるCALET 電荷検出装置の性能テスト

小澤俊介，赤池陽水 A，植山良貴，笠原克昌，金子翔伍，齋藤優，田村忠久 B，鳥居祥二，仁井田多絵，村

田彬，他 CALETチーム

早大理工，東大宇宙線研 A，神奈川大 B

日本物理学会第 68回秋季大会@高知大学 113/09/22

450 mm

mm

mm

320 mm

CALET 検出器構成CHD ： Charge Detector入射粒子の電荷測定-Plastic Scintillator 32mm×10mm×450mm14 本 ×2 層（ X,Y ）

IMC ： Imaging Calorimeterシャワー初期発達、到来方向の測定- Scintillating Fiber (SciFi) 1mm×1mm×448mm 448 本 × (X,Y) × 8 層- W plate 0.2X0 × 5 枚 + 1X0 × 2 枚 ( 合計3X0)

TASC ： Total Absorption Calorimeter粒子識別、エネルギー測定- PWO (20mm×19mm×326mm) 16 本 ×12 層 ( 計 27X0)

CALET 検出器


450

側面

450

上面

X 軸、 y 軸方向にそれぞれ 14 本

ELJEN 社製プラスチックシンチレータEJ-200

Size 450×32×10 mm3

Light emission peak 425 nmRise Time 0.9 nsDecay Time 2.1 nsScintillation Efficiency ~10000 photons/MeV

Attenuation length ~4 mDensity 1.023 g/cm2

浜松ホトニクス社製光電子増倍管R11823(R7400 ベース )

Photo cathode Φ8 mm,BialkaliSensitivity peak(wavelength) 420 nm

Rise Time 0.78 nsGain @ -400 V 5000Q.E.@420nm 30%

• プラスチックシンチレータ（ EJ-200 ）と光電子増倍管(R11823) をアクリル製ライトガイドで接続

• 全体を反射材（ 3M 社製 ESR フィルム）で覆う

カタログ値 (BC404 相当 )

82mm450mm

32mm

CALET-CHD 概要


CERN SPS 重粒子照射実験• 実施期間

– Jan.24th-Feb.4th 　 2013

• 検証項目– 測定ダイナミックレンジ– 相対論的エネルギー粒子入射時の電

荷分解能• 照射ビーム

– Pb （ 82,208 ） 30GeV/n の破砕核（ Be ターゲット）

– A/Z~2 で選別• 読み出し回路

– TASC-FEC BBM(PMT 用 )

日本物理学会第 68回秋季大会@高知大学

413/09/22

46cm

実験セットアップ

Beam

182cm 8cm

TriggerDetector

Beam tracker

48cm

CHD-0CHD-1

HV 取得イベント数

(V)Beam

Tracker あり

Beam Tracker な

しCHD-0 -450 2.5 x 105 1.0 x 106

CHD-1-410 7.3 x 105 -

-360 1.7 x 106 1.0 x 106

Beam

• Beam tracker– Upper tracker : シリコンストリップ 2 層　 + 　シリコンピクセルアレイ 4 層– Bottom tracker : シリコンストリップ 6 層

Beam tracker による核種の選別

13/09/22 日本物理学会第 68回秋季大会@高知大学 5

シリコンピクセルアレイの出力相関による選別• 各層の最大出力のピクセルの代表値とする．• 1,2 層目の平均と 4 層目の出力の相関をとる• 相関中央から外れるイベントをカット　　　　⇒ Beam Tracker 中で相互作用したイベントを排除• 相関を 45° の直線に射影し分布を作成• この分布に対し，各領域において四重 Gauss 分布　　に当てはめ， ±1σ の範囲でイベントを選択

B NC O

X

Y

Correlation map of Si Pixel（ Ave. 1st & 2nd layer vs 4th layer ）

The distribution of the correlation map （ 45°projected ， B~O ）

Beam tracker Structure

±σ ±σ ±σ ±σ

Beam tracker で選別した各電荷(Z=1~26) についてCHD の出力信号分布にガウス関数をあてはめ

を算出

CHD 電荷分解能

- 電荷 Z における中心値　 μZ

- 電荷 Z における出力分布の分散　σZ

B C

B μ5 : 27.3 σ5 　 : 1.81C μ6 : 38.0 σ6 : 2.19

Mn Fe

Mn μ25 : 392.8 σ25 : 9.81Fe μ26 : 418.6 σ26 : 9.86

B NC O

Before selection

CHD 0 Signal distribution(B,C)

CHD 0 Signal distribution(before / after selection by Beam tracker)

MIPS MIPS

MIPS

Num

ber o

f eve

nts

Num

ber o

f eve

nts

Num

ber o

f eve

nts

CHD 0 Signal distribution(Mn,Fe)

日本物理学会第 68回秋季大会@高知大学13/09/22 6

• Beam Tracker で選別した各電荷 (Z=1~26) について，　　 CHD の出力信号の分布から求めた μZ ， σZ から，電荷分解能を以下のように定義


CHD 電荷分解能

1

ZZ

ZR

R: 電荷分解能σZ: 電荷 Z における出力分布の分散μZ: 電荷 Z における中心値

CHD0 （ビーム上流側）の電荷分解能　　　　 B,C ：　 ~0.2e　　　 Fe : 　 0.38e

Z[e]

R [e

]

Charge resolution(CHD0)

Preliminary

B C

4.8σ6

B C

4.8σ6B,C の電荷分解能から　　　観測可能エネルギー領域を推定

B/C 比観測感度

B/C エネルギー依存性


813/09/22

平均値μ[MIPs]

分散σ[MIPs]

B 27.3 1.81 C 38.0 2.19

B の平均値に対しC の平均値が4.8σ6

分離

5 年間の観測でTeV 領域までの B/C の測定が可能　

　　　　 B/C ratio ∝ E-δ 　　　　

　　　　　→　 δ を ±0.05 程度で推定可能

C による分布の漏れ込みが σB の範囲に入る割合は C のイベント数に対して 7.24×10-5

Distribution of B and C(800~1600GeV/n)

δ=0.6

δ=0.3

観測ダイナミックレンジ


913/09/22

MIP(z=1) Fe (z=26) 最大出力値 Z 上限PMT (R11823) (gain: 7000)

0.17pC 53pC 375 pC (linearity<2%) 〜 72

ADC (15bits) ~40 counts ~14,000 counts 32,768 counts 〜 40

Fh : 0.41±0.003Bs : 7.70±0.07 ×10-3

• SPS での照射実験の鉄核測定に基づいてADC の上限値で限定されるZ=26 → 　 ~14,000 ADUクエンチングの式（ Tarle’s formula)

にて概算　 ⇒ 　 Z ~ 40 　までの測定が可能

dx

dEAf

dxdEfB

dxdEfA

dx

dLh

hS

h

/)1(1

/)1(

*Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230 (1979) 607

まとめ• CERN SPS Heavy Ion Run 　データ解析

（シリコン検出器を用いたイベント選別）– 電荷分解能（ Preliminary ）

• B,C 領域　→　 ~ 0.2e– 4.8σC(NB への漏れ込みは ~Nc×10-4)– B/C Retio ∝ E-δ 　，　 δ± 0.05 　程度で推定可能

• High Z 　 →　〜 0.35e– ダイナミックレンジは超重核 (Z~40) の観測が可能

• 観測に向けて– 電荷検出性能のエネルギー依存性について– 実験データのより詳細な解析＆シミュレーションスタディ

• 前方物質の影響について– 解析手法の改良

• CHD を 2 層用いる方法• SciFi を用いる方法


1013/09/22

END


1113/09/22

CALET-CHD の観測目的

宇宙線エネルギースペクトルの Knee 領域：1015 〜 1016eV

　→衝撃波加速モデル：加速限界が電荷に依存　　　　　　　　　　 Emax 〜 100×Z [TeV]*

エネルギースペクトルは電荷増大と共に冪が小さくなる　→電荷増大で断面積が大きくなり、磁場からの漏れ出し前に相互作用

核種ごとのエネルギースペクトル観測　　→電荷に依存した折れ曲がりの有無の検証

HIMAC （放医研）， SPS （ CERN ）において，重粒子照射実験を行い， CHD の電荷測定性能を検証


*Cesarsky & Lagage(1981)

電荷選別手法①1. MTX の PIXEL での通過位

置によってイベントを選別

2. （ MTX0+MTX1)/2(=T) とMTX3(=B) が

　　 |(T-B) /(T+B)|<0.15　　となるイベントを選別3. T, B の ScatterPlot を 45°

の直線に射影しヒストグラムを作成し、ガウス関数を Fit して Peak±1σ の範囲で電荷を識別


解析条件 total 1 2 3

イベント数 961802 712380 484455 212105

電荷選別手法①1. MTX の PIXEL での通過位

置によってイベントを選別

2. （ MTX0+MTX1)/2(=T) とMTX3(=B) が

　　 |(T-B) /(T+B)|<0.15

　　となるイベントを選別3. T, B の ScatterPlot を 45°

の直線に射影しヒストグラムを作成し、ガウス関数を Fit して Peak±1σ の範囲で電荷を識別


Charge resolution of MTX

13/09/22日本物理学会第 68回秋季大会@高知大

学 15

16

CHD 電荷分解能 (@ICRC2013)

13/09/22 日本物理学会第 68回秋季大会@高知大学

• CHD0

Chi2/ndf:1.39976Peak:27.3289±0.038716Sigma:1.78952 ±0.0477753

Chi2/ndf:1.93863Peak:38.0419 ±0.0338135Sigma2.18663 ±0.0437589

Chi2/ndf:1.32947Peak:392.848±0.720586Sigma: 9.93667 ± 0.762094

Chi2/ndf: 0.85334Peak: 418.922±0.770675 Sigma:9.57006±0.744359


σZ /(μZ-μZ-1) σZ /(μZ+1-μZ)

• CHD1

Chi2/ndf:1.67212Peak:28.588±0.0622729Sigma:2.56922 ± 0.0862599

Chi2/ndf: 1.99129Peak: 39.8833±0.0447144 Sigma2.79925± 0.0594555

Chi2/ndf:0.767813Peak:429.592±0.925554Sigma: 12.7488 ± 0.938563

Chi2/ndf: 1.09997Peak: 461.646 ±1.46345 Sigma: 15.3955 ±1.63027



• 選別後の CHD0 と CHD1 のScatterplot

• 45° に射影したヒストグラム（黒線 : 解析条件 1 ）

B C N O


• CHD0&CHD1

Chi2/ndf:1.26659Peak: 39.5354±0.0534949 Sigma: 2.32779±0.0688625

Chi2/ndf:0.928851Peak: 55.1892 ± 0.043887 Sigma 2.8639 ± 0.0555972

Chi2/ndf:1.03567Peak: 582.227 ± 0.946103 Sigma: 12.2782 ± 0.944408

Chi2/ndf:0.887022Peak: 619.344±2.03379 Sigma: 17.0124±2.45911



Beam Tracker による核種同定

シリコンピクセル 1 ， 2 層目の出力平均と 3層目の出力との相関から，入射核種を同定


• Beam Tracker– Upper tracker : シリコンストリップ 2 層　　　　　　　　　　　　 + 　シリコンピクセルアレイ 4 層– Bottom tracker : シリコンストリップ 6 層

Beam Tracker 構造シリコンストリップの間隔は 0.721mm で，粒子飛跡のトラッキングが可能

ピクセルアレイは 1cm x 1cm の PIN-PD を用いたシリコン検出器で 8 x 8 で並べられている

X

Y

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CERN-SPS 重粒子照射に よる CALET 電荷検出装置の性能テスト

CERN-SPS 重粒子照射による CALET 電荷検出装置の性能テスト