JPS 2006 　奈良女子大学

理化学研究所　岩崎先端中間子研究室

板橋　健太

シリコンドリフト検出器とフラッシュ ADC を用いた　　　 K 中間子ヘリウム原子 X 線測定システム

JPS 2006 　奈良女子大学Ｋ中間子ヘリウム原子精密分光

測定原理

超流動液体4He標的

K-中間子ビーム

X線

K 中間子原子の 3d →2p 遷移 X 線測定

K 中間子⇔原子核の相互作用を決定

ドリフトチェンバー

- K- を液体ヘリウム標的に止めて 脱励起過程で放出される X 線を計測-原子核吸収の後放出される荷電粒子も 計測することで標的内部での事象のみ選択

JPS 2006 　奈良女子大学実験セットアップ 中性子・陽子 TOF 検出

π ／陽子トリガ・トラッキングKEK 12GeV PSK5 ビームライン

E549(Deep K) のセットアップ + 標的周辺のみ改造

JPS 2006 　奈良女子大学標的周辺 X 線検出器 SDD 　８基

プリアンプ

Shaping Amp

ADC

Shaping time 0.2 s --- トリガ用 0.1, 3 s --- FOUT,OUT( エネルギー計測用 )

(21pSD-8 竜野、岡田等 )

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X 線測定器系に対する要求

何 keV の X 線… 約 2 ～ 10 keV どのくらいの精度が欲しいのか… ±1 ~ 2 eV @ (3d→2p)E549 (Deep K) 実験のセットアップは… なるべく流用トリガ条件は… K- 入射 × 荷電粒子横跳ね　 × SDD ヒット

E549 と干渉しない工夫 （邪魔をしない…）

Deep K と同じ⇔ Deep K と同時に走りたい

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つまり DAQ も E549 と干渉しない工夫が必要…

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E549 側の DAQ は…

K 同定 シンチ ~ 20 ch, ルサイト ~ 4ch, チェンバー　 16 面 x 32 ch

荷電粒子トリガ シンチ ~ 80 ch など

バーテックス　 上下左右 1500 ch 程度

TOF 計測 500 ch 程度約 3000 ch → TKO SCH-SMP x 7 → 900 トリガ／スピル (0.7 秒 )

X 線分光 = E549 + 80 ch 程度SDD のシグナル 8ch x 2 種類 (FOUT + OUT) x (P.H. ADC [ 逐次比較 + ウイルキンソン ] + TDC) +scaler…

に加えて、精密分光を達成するため なるべく多くのキャリブレーションデータが必要

SDD のセルフトリガで Flash ADC でもデータ取得…

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Flash ADC に求められる性能

○ 立ち上がり 1 s のシグナルで 十分なポイント数○ 十分な bit 数○>1 kHz のトリガを高いライブレートで　　なるべく多くの較正ピークデータを取得 ○… そして、既存の DAQ を邪魔しない構成既存の DAQ (TKO) には変更を加えずに独立した高速の DAQ を構成

通常は SDD のセルフトリガでデータ取得但し TKO トリガ = (K 入射 x 荷電粒子が横跳ね ) 且つ SDD hit の場合は、こちらのトリガを優先して取得

トリガ

NIM のロジックで作成…

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CommonStop

バッファ上の位置

Auto Start

問題は、同期…

SIS3301 Flash ADC (SIS 社製 )

VME, 8ch, 105MHz, 14bit, Dual buffer0-5 V dynamic range

○ トリガディシジョンが遅くても (~1 s) 大丈夫 → 複雑なトリガ条件でも対応可能○ イベントにフラグが立てられる ( セルフトリガと「 K 入射 x 荷電粒子横跳ね」を区別可能 )

User bit ( フロントパネルの NIM 入力の真／偽 ) も同時に記録

ほぼ独立にデータを取っているので、オフラインでイベント照合しなければならない

1. User bit によるイベント識別 + イベントの発生時間による照合2. Function Generator ( 遅い Sin 波 ) の信号を Flash ADC と TKO P.H. ADC に　　　　　同時にフィードすることで照合を確認

FOUT x 10

OUT

典型的な波形データ

データポイント

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1. イベントの発生時間による照合

○ スピルごとにイベントを照合

○ スピル番号 ( ４秒間隔 ) は、インタラプトのかかった PC 上の時間から再構成

○ スピルの直前に TKO/F-ADC 両方を veto した後、同時にトリガを送出 ( 空読み ) → 　スピル先頭で同期を保障

○ TKO 側のイベント発生時間は 100 kHz クロックを TKO スケーラーでカウントして イベント間隔を計測

○ Flash ADC 側のイベント発生時間は内蔵の 105 MHz クロックのデータを利用

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イベント番号(user bit の立ったイベント)

←

←

←

一つ余計なイベント

空読み

赤 Flash ADC黒 TKO

TKO/F-ADC どちらかに照合できない余計なイベントがある場合の例

拡大

余計なイベントの判定をプログラムで行い…

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2. Function Generator( 遅い Sin 波 ) の信号で、 実際に照合した結果は…

F-ADC による測定

Run 333 (170395 イベント )100 % イベント照合成功

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ピーク付近 16 点を 2 次の多項式でフィット

エネルギースペクトルの導出

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Flash ADC

TKO P.H. ADC

もっと詳しい波形の解析→分解能の評価などはこれからの予定

ほぼ Consistent?

JPS 2006 　奈良女子大学Flash ADC に期待される効能 (1)

レートが高いとスペクトルがゆがむ ⇔　パイルアップ？

レートが低い場合

レートが高い場合

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少なくとも、パイルアップの除去には使用可能

ソフトでほぼ 100 % 判別可能

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TKO FlashADC

1024が落ちてます...

恐らく、 Differential Non Linearity に ADC の”癖” が残りにくい

Flash ADC は数点をフィットしてピーク位置を求める

Flash ADC に期待される効能 (2)

Function Generator (Sin 波 )

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まとめ

SDD + Flash ADC を 用いて K 中間子ヘリウム X 線の測定を行った

TKO P.H. ADC ベースのシステムと Flash ADC の二つのシステムでほぼ独立してデータ収集を行い、両者の間のイベント照合に成功した

DNL 、分解能、安定性 などのスタディを進行中であるが、 TKO ベースのシステムとイベント照合できたことにより、少なくとも現在問題となっているパイルアップの除去については威力を発揮しそう

J-PARC E-17 「 K 中間子ヘリウム３原子 X 線分光実験」に向けてより詳しいスタディ

さらに将来的には独立した DAQ 間のイベント照合　　　⇒ 検出器ごとの時間定数に従って、トリガレスでデータ収集し、実験後に時系列に従ってコインシデンス解析を行う、フルパイプラインシステム

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G. Beer1, H. Bhang2, M. Cargnelli3, J. Chiba4, S. Choi2,C. Curceanu5, Y. Fukuda6, T. Hanaki4, R. S. Hayano7, M. Iio8,T. Ishikawa7, S. Ishimoto9, T. Ishiwatari3, K. Itahashi8, M. Iwai9,M. Iwasaki8, B. Juhasz3, P. Kienle3, J. Marton3, Y. Matsuda8,H. Ohnishi8, S. Okada8, H. Outa8, M. Sato6, P. Schmid3,S. Suzuki9, T. Suzuki8, H. Tatsuno7, D. Tomono8,E. Widmann3, T. Yamazaki8, H. Yim2, J. Zmeskal3

Victoria Univ.1, SNU2, SMI3, TUS4, INFN(LNF)5,Tokyo Tech6, Univ. of Tokyo7, RIKEN8, KEK9

KEK-PS E570 Collaboration

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スペア

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SIS3301Bit3-617

LinuxBox

Posix threadを使用した複数スレッド

スレッド1 ... SIS3301のインタラプトを受けてリングバッファに読み出しスレッド2 ... リングバッファにデータがある限り書き出しスレッド3 ... 暇があればオンライン解析

１０kHz クロックで動作可能　 　 　 　 但し1分もたたずに、1GB のデータ

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今後の実験？

　・次に、何がしたいか ?

JPARC で・ K- 3He原子 3d -2p X線観測 　　 --- 残っている可能性も

・少数系での完全実験 　　＝ 生成・崩壊を同時に押さえる

・重い核へ　　＝ 核子安定か ?

・ KK状態探索 　　＝ 何処を探せば良い ?　　＝ H、ハイパー核 ?

K N

ZA K N 2Z 2A

K pnn p res. N 2Z 2A S0 (3115) p res.

cf. K は核を選ばず pp 対を見つける ? FINUDA

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Embedding K？

Y. Akaishi & T. Yamazaki : PRC 65 (2002) 044005

・ Deep!

・ Narrow!

~ 100 MeV

~ 20 MeV= meta-stable

・ Shrink!

cf: B ~ 10 MeV

A. Dote et al. : PLB 590 (2004) 51

!!!YES!!! ☞ 　 hadron mass

☞ 　 astronomical study

= high density?

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K 束縛核 (=K 中間子が原子核に束縛された状態 ) 観測実験

まず現状 ...

Y. Akaishi & T. Yamazaki : PRC 65 (2002) 044005

生成反応 4He(stopped K-,N)

密度～ normal nuclear density の数倍？→ 　例えば、カイラル対称性について貴重なデータ

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K 束縛核 (=K 中間子が原子核に束縛された状態 ) 観測実験

T. Suzuki et al. : PLB 597 (2004) 263-269

・陽子に顕著

・中性子で観測したより軽い・幅は、非常に狭い f

ストレンジトライバリオンの発見！ ?

・ semi-inclusive !

生成反応 4He(stopped K-,N)KEK-PS E471, E549 @ K5

まず現状 ...

観測されたシグナル

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•標的に 3He, 9Be 等、系統的な研究• K 二個入り原子核• 生成・崩壊に関与する粒子を全て計測する完全実験

・ 3He標的

K 3He K ppp

K ppp p p pp p

Ｓ 0のアナログ状態生成(Ｓ 0とのエネルギー差 ?)

K p

pp

Participant

Spectator

P. Kienle

Spectator?

J-PARC では

K

K

KK

pNN

pNN

-

--

+

-

K

K

KK

NNN

NNN

-

--

+

K

K

KK

nNN

pNN

-

--

0

*

Ａｋａｉｓｈｉ

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生成反応は？　　　 (K-,p) , (+, K+), (K-, n) ???

3He(K-, -)

J-PARC での実験条件

K = 900 MeV/c, 10 M/spill　　　　 K/ ~ 1

L-10, K1.1 ビームライン

•質量欠損スペクトロスコピー•タギングも必要　　　

検出器•入り口に、シンチアレイと　　チェンバーが２セット•出口にも２セットと PID 用の　　チェレンコフか何か•標的の周りにタグ用の CDS っぽいもの 500~600 MeV/c

JPS 2006 　奈良女子大学検出器とチャネル数

Beamline Spectrometer 前後 (最大 30 MHz 程度 ) チェンバー MWDC 　 x 4 セット XX'UU'VV' 200 x 100 @ 2 mm スペーシング = 100 x 6 x 4 = 2400 ch シンチ (25 ストリップ x2 層 x2台？ ) 200 ch ----------------------------------------------------------- ワイヤあたり 300 ～ 500 kHz 程度　←　ちょっと厳しい？MWPC? カウンターストリップあたり 2 MHz 程度　←　小さな PMT では厳しいかも

SPESII 前後 ( 入り口最大 30 MHz~ 出口側数 MHz?) チェンバー　 MWDC (6層 XX'X'YY'Y) 入口側 2 台 200 x 200 @ 2mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch　出口側 2 台 1000 x 1000 @ 10mm = 100 x 6 x 2 = 1200 ch シンチ＋チェレンコフ 2x100 PMT 400 ch 程度----------------------------------------------------------- ワイヤあたり 入口で 300 ～ 500 kHz 程度 出口は 数十 kHz 程度 カウンターストリップあたり 数十 kHz 程度

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図は以下より引用BoNus/JLAB http://www.jlab.org/~hcf/bonus/

r=7.5~9.5 cm, z= 30 cm

CDS 崩壊粒子の運動量 (~300MeV/c) 、シングルレートは数～数十 MHz 程度以下 立体角を最大化したい ソレノイドの中に入れて、運動量を分析したい SSD を入れるには、崩壊粒子の運動量が小さすぎるしレートが低いはず

RTPC/BoNuS@JLab っぽいもの ? Pad 読み出しなら 4000 ch Stereo Strip なら 500 ch 位 ? ← 何か考えが必要 CDC (Pad 読み出し RTPC と両立しないのでは？ ) 　　 r<150 @ 20 mm x 6 層 →　ワイヤあたり 100 kHz 以下 360 ch 位 ? トリガ用シンチ 100ch 位 ?

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まとめBeamline Spectrometer 前後 ~ 2,500 chSPESII 前後 ~ 2,500 chCDS ~ 1,000 ~ 5,000 ch----------------------------------------------------------------------総計　　 TDC 6,000~10,000 ch QDC 3,500~7,500 ch

HRTDC ~ 1,000 ch 以下Dr.T かマルチヒット (TMC?) ~ 5,000 ～ 9,000 chADC ~ 3,000 ～ 7,000 ch

TKO なら

• 高密度、高速コンバージョン• でも、クレート前から差すのは避けたい．• 他の装置と連携できるように、いろいろな種類のモジュールと　簡単かつ、より柔軟な SDS のシステム

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こんな DAQ ほしいかも

•　検出器ごとに近くでデジタル化　　ケーブルの引き回しが無くて楽　　 ( というかノイズが乗りにくいし )

•　トリガレス ( セルフトリガ )　　取りっ放し、書きっぱなし、取得率 100 %

•　高精度の時計内蔵　　グローバルな時間に変換して　　イベントビルドは後ほど．多分、時計自身の設計と、とにかく同期を取るのが大変

多分、高くつく．データ量も多い．　簡単ならみんな、もうやっている．

以上です．