MPPC を用いたハイペロン散乱実験の提案

東北大学理学研究科　

三輪浩司

YN interaction 核力からバリオン間相互作用への拡張

核力　中間子交換描像 新たなストレンジネスの自由度の導入　クォークのレベルから

理論的な YN 相互作用

One-Boson exchange(Nijmegen models)baryonsmesonscore

Quark Cluster model(Resonating group method)(3q)-(3q)gluonmesons

YN 相互作用新しいクォーク交換する中間子

NN 相互作用

核力芯への新たな情報

高密度状態での物質層の理解に必須

実験的な YN 相互作用の導出 Hyperon 核子散乱

Hyperon の短い寿命で難しい

NN 散乱に比べデータが十分でない

ハイパー核の構造から YN 相互作用を導出する 高分解能磁気スペクトロメーター

ゲルマニウム検出器

問題点 多体系の複雑なシステムから２体の相互作用を導出する

N 相互作用、 N 相互作用は？

npnp pppp pp p0p

p+p pp p0n pn

KEK でのハイペロン散乱実験 Scintillation fiber と

IIT-CCD を用いた KEK-PS E289, E452

p, p, p 弾性散乱 SCIFI を使う feasibility が示

された。

反応 イベント数

E289

p 31

p 30

p ---E452 p 113

問題点IIT-CCD が遅い300kHz 以上のビーム強度では　画像が重なってしまい使用できない終状態の粒子をすべて捕えるのが　難しい

MPPC を用いた SCIFI の読み出しの提案 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC)

Avalanche Photo Diode (APD) をガイガ－モードで動作させる新型の Si 　光ダイオード

100 ～ 1600pixel の APD が敷き詰められており各ピクセルのシグナル和をとることによってダイナミックレンジを得る

特徴 時間応答が 10ns よりも速い

高いビーム強度化下でも動作可能 ゲインが 105106 と大きい

1 光子の検出が可能 磁場中での動作が可能

IIT は磁場中では動作できない 大強度ビームを用いたハイペロン散乱実験に使用できないか

1mm

1mm

MPPC を用いたときの問題点 膨大なチャンネル数

KEK で使用した 10cm10cm20cm の SCIFI を読もうとした場合、 1mm 1mm のファイバーを用いた場合でも 20000 チャンネルが必要となり、現実的でない。

このアイデアが現実的かどうか？ SCIFI のサイズ　 出来るだけ小さく 収量の見積もり

SCIFI のサイズ ハイペロン生成の運動学

p

p

生成されるハイペロンは常に５０度より小さい角度しか持たない

(degree)

(d

egre

e)

K (degree)

(d

egre

e)

SCIFI のサイズ ハイペロン生成の運動学

p

p

生成されるハイペロンは常に５０度より小さい角度しか持たない

ハイペロンの飛程 ハイペロンと陽子の散乱だけを捕える

ことにすれば、 SCIFI のサイズはハイペロンの飛程によって決まる。

3cm3cm3cm あれば十分であろう

3cm

3cm

散乱粒子、崩壊粒子の検出 SCIFI 中での飛程

350MeV/c 以下の陽子は静止 それ以外は静止せずに飛び出す

周囲に chamber を設置して捕える

SCIFI 中での陽子の飛程

SCIFI 中でのの飛程

Magnetic Field

CDC または TPC など

Scattered proton

Decay products

磁場中で動作可能な MPPC であればこのセットアップが可能となる

入射ビームについて 生成については

2mb @ 1.1GeV/c (, )

0.5mb @ 1.5GeV/c (, )

散乱粒子の寿命を考えると (, ) の方が有利だろう。

全体の実験の構想 KEK の実験でのセットアップ

ハイペロン生成反応： (, ) 反応 前方スペクトロメーター

全体の実験の構想 J-PARC では

(, ) 反応によるハイペロン生成 前方スペクトロメーター＋ Cylindrical スペクトロメ

ーター 散乱粒子に対するアクセプタンスの大幅な向上

Fiber の image

Z(mm)

p

p

Photon counting LED からの光を MPPC に照

射

1p.e.

2p.e.

4p.e.

3p.e.

5p.e.

Increase light intensity

実際に MPPC は使えるのか

実際に MPPC は使えるのか 速い回路を用いた読み出し

PMT

MPPC

Sr source

PMTMPPC

400 pixelVbias = 70V

11mm2 fiber PMTMPPC

400 pixelVbias = 70V Trigger counter

Cosmic ray or ray

30ns

100mV

400mV

400mV

Fiber で MIP を捕えるのに十分である

MPPC に求められる性能 角度分解能

SCIFI は ((CH)n) から成る

自由陽子

炭素中の陽子

エネルギーのダイナミックレンジ MIP

止まりかけの陽子

飛程を用いた運動量測定

z (mm) ( ビーム方向 )

x (m

m)

y (m

m)

p

p

Pixel size: 1mm0.5mm

これを区別する

角度分解能 炭素中の陽子との準弾性散乱を取り除く

ファイバーのサイズ 1mm0.5mm E289 と同程度

粒子の飛程

KEK-PS E289

quasi free

free proton

ファイバーサイズ

角度分解能

値段

小　　　　　　　　　大

◎ ×

高い手が出ない

1mmx0.5mm(1800ch)1mmx1mm(900ch)

CDC のアクセプタンス 終状態の各粒子の放出角度

散乱陽子　ほぼ 90 度方向へ 崩壊による N 　やや前方 崩壊による　一様

運動量分布 01.2GeV/c に分布

散乱陽子

崩壊　

崩壊 N

散乱陽子 崩壊

崩壊 N

30o150o をカバー　　　　　約 80% のアクセプタンス

静止

終状態をすべて測定する 終状態を抑える

準弾性散乱の除去 入射ビーム運動量の決定 ( の quasi free 生成の活用 )

p pn/ p0

散乱陽子 崩壊

崩壊 N

p

散乱の運動量　散乱角度

陽子の運動量、角度予測

陽子の運度量、角度測定

測定Consistency check準弾性散乱の除去

ビームの運動量の決定 の quasi free 生成の活用

Yield estimation1 ( beam) 1.1GeV/c p 反応：断面積 =1.8mb

生成標的 : CH2 ( 厚さ 2cm)

ビーム強度　 106 /spill 　

生成される + ビームの数 /spillfree proton: 42

quasi free: 69

ビーム

： -25o~25o

１日で

free proton: 9.1105

quasi free: 14.9105

Yield estimation2 (p scattering)

１ヶ月のビームタイムでの散乱イベント数は ビーム (free proton) : 16800

ビーム (quasi free) : 27500

の飛行距離が 1cm 以上を要求 ビーム (free proton) : 3300

ビーム (quasi free) : 5300

解析、その他で 10% に落ちると仮定

targetbeamscat LN10mb を仮定 SCIFI(CH): 4.781022(1/cm3)

+ の平均飛程： 1.3cm

Flight length

L>1cm : 44%0.440.44

Total event : 860 散乱イベント

これからと問題点 MPPC の単体の性能評価 Tracking Detector としての評価

50channel 分の MPPC を購入 Fiber bundle に取り付けて読み出しを行う

位置分解能は？ エネルギーのダイナミックレンジは？

問題点 チャンネル数が増えたときの読み出しをどうするか

パラレル読み出し channel と同じだけの ADC

シリアル読み出し 読み出しが遅くなるか？ ビームの広がり

まとめ J-PARC にて高統計でのハイペロン散乱実験を行

いたい。 MPPC を用いた SCIFI の読みだしシステム

時間応答が速い　　 大強度ビーム 1 光子を捕えるのに十分なゲイン　　 磁場中で使用可能 　トラッキング検出器との併用

1.1GeV/c K 106/spill 800p 散乱