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ILC での衝突点ビームプロファイルモニタのシミュレーション

東北大学M1 伊藤和俊

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ILC について• ILC(International Linear Collider) とは :

– 電子• 陽電子衝突型線形加速器• 第１期 : 500GeV• 第２期 : 1TeV

• ILC での目的 :– Higgs 粒子や超対称性粒子の探索

• Higgs 粒子 : 質量の起源• 超対称性粒子 : 粒子に対し、スピンが 1/2 だけ異なる

粒子– トップクォークの精密測定 などなど…

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ILC でのビーム

• 衝突点で、ビームサイズが大きくなるとLuminosity が低下してしまう。

ビームバンチ

300μm

5.7nm 639nm

この中に2x1010 個の粒子

衝突点でのビーム情報を得て補正する必要がある

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ペアモニタ

• ペアモニタ : 衝突点でのビームの形状を測定可能。– 厚さ、幅、ずれ、などなど…

• ヒットするペアバックグラウンドをカウントする。– ペアバックグラウンド : ビーム相互作用により生成

される電子• 陽電子ペアペアバックグラウンド

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ペアモニタ e+e- ペアは、向かってくるビームの電磁場に

より散乱される。– 散乱後は、測定器内の磁場によりらせん運動し、

ペアモニタに衝突する。

ビームの電磁場は、ビーム形状に依存する。– 散乱具合を見ることで、ビーム形状を測定できる。

e- ビームe+ ビーム

e-e-

e+e+

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ペアモニタ

• ペアモニタは、シリコンピクセルセンサであり、ヒットした粒子数をカウントする。– 半径 10cm 、厚さ 200m

• トレインを 16 分割し、それぞれのパートでカウントし、保存する。

• 保存したデータは、トレインとトレインの間で読む。

1 トレイン = 2625 バンチ

969.s 199ms

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シミュレーションのセットアップ

• ビームエネルギー : 500GeV• Pair background generator : CAIN

– Bunch size : (σx/σy/σz) = (639nm/5.7nm/300μm)

• Tracking emulator : Jupiter (Geant4 ベース )– 磁場 : ソレノイド磁場 3T + anti-DID

ペアモニタBCAL

CH2Mask

IP

400cm

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anti-DID なし anti-DID あり

Anti-DID(Detector Integrated Dipole)

• ペアバックグラウンドが、測定器に衝突するのを防ぐために、磁場を変化させる。

Low

high high

Low

e- e+ e- e+

Extraction hole Extraction hole

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ペアモニタのヒット分布

• 電子 : あまり散乱されない• 陽電子 : 大きく散乱される

電子のヒット分布

陽電子のヒット分布Extraction hole

Injection hole

e-e-

e+e+

ペアモニタ

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シミュレーション事項

• ビームバンチの厚さを変える。• ビームバンチの幅を変える。

• ビームバンチをずらす。

ビームバンチ

長さ :300μm

厚さ :5.7nm 幅 :639nm

Z

Y

e-

e+

+Δy

-Δy

ペアモニタ

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厚さの測定• ビームの厚さの変化に対するヒットパターンの変化

X

Y

Extraction hole

R

座標系の変更

nominal

5 倍の厚さ

nominal

5 倍の厚さX[cm]

X[cm]

Y[c

m]

Y[c

m]

R[c

m]

R[c

m]

[rad]

[rad]

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厚さの測定• 変化している部分を調べるため、 projection する

軸に projection

黒 :nominal赤 :5 倍の厚さ

この部分に注目する

R[c

m]

[rad] [rad]

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Ratio

• Ratio = NL/NALL

領域 L

Rat

io

ビームの厚さ [nm]

1 次関数で fit

Ratio を測定することで、ビームの厚さがわかる。

R[c

m]

[rad]

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Resolution

• 統計誤差を 164 バンチ分にスケールする。

5.3% の精度でビームの厚さを測定できる。ビームの厚さ [nm]

y/ y

[%] nominal

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幅の測定• ビームの幅の変化に対

するヒットパターンの変化

• 明らかに、ヒットパターンのサイズが小さくなっている。

nominal

3 倍の幅

最大半径に注目する

X[cm]

Y[c

m]

X[cm]

Y[c

m]

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幅の測定

黒 :nominal赤 :2 倍の幅緑 :3 倍の幅

黒 :nominal赤 :2 倍の厚さ緑 :3 倍の厚さ青 :5 倍の厚さ

R[cm] R[cm]

ビームの幅が変化すると最大半径が変化ビームの厚さに対しては変化しない

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ずれの測定

• ビームのずれに対するヒットパターンの変化

• 散乱されるときに上下の非対称性が生まれるはず。

Z

Y

e-

e+

+Δy

-Δy

ペアモニタ

X[cm]

Y[c

m]

X[cm]

Y[c

m]

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ずれの測定

projection

projection

projection

領域 D

領域 U

R[c

m]

[rad]

[rad] [rad]

[rad]

黒 :nominal赤 : ずれあり

黒 :nominal赤 : ずれあり

黒 :nominal赤 : ずれあり

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Ratio

• Ratio = NU/ND

領域 U

領域 D

Ratio を測定することで、ビームの同士のずれがわかる。

Rat

io

相対的ずれ y/y

黒： 1 倍赤 :1.25 倍緑 :1.5 倍青 :2 倍黄 :3 倍桃 :5 倍

厚さR[c

m]

[rad]

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今後は

• ビーム同士が回転して衝突した場合の study

• より正確な磁場でのシミュレーション

回転

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ペアバックグラウンド

エネルギー [MeV]

衝突点付近での電子•陽電子のエネルギー

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Beam bunch の電磁場による散乱

速度 βb

E’ =γEe+

e-

e+ の受ける力 : 上向きに eE’ ( 1 + ββb )

e- の受ける力 : 下向きに eE’ ( 1 + ββb

)

速度 β

散乱

振動

B’ =γβb E__c