鶴岡裕士／筑波大学／ tac ／２００２年１月 2 ３日

鶴岡裕士／筑波大学／ TAC ／２００２年１月 2 ３日

１

RHIC-PHENIX 実験における p+p 衝突実験のための

衝突検出器の設計と開発

筑波大学大学院博士課程　数理物質研究科修士論文

１．目的

２．設計

３．テスト実験（ KEK ）

４．製作、インストール

５． p+p 衝突データ

６．まとめ

数理物質科学研究科２年次　　鶴岡裕士

　　　　指導教官　　　　　　　　　三明康郎

http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/research/tzero/tzero.html

２

１１　ｰ RHIC-PHENIX 実験

Au + Au 原子核衝突実験

　米国ブルックヘブン国立研究所（ BNL ）、

高エネルギー重イオン加速器（ RHIC ）にて

　　　 2000‥ 　　　　　　　

　　　 2001‥

クォーク・グルーオン・プラズマ（クォーク・グルーオン・プラズマ（ QGQGPP ）　　　　　　　の生成探求が目的･）　　　　　　　の生成探求が目的･

GeVsNN 130

GeVsNN 200

p + p 衝突実験

　 2001 ､ 12 月　～

新たなトリガーカウンターが必要

　　同一検出器の使用によって、同一検出器の使用によって、

　　 p+pp+p とと A+AA+A の比較における系統誤差を小さの比較における系統誤差を小さくするくする

GeVsNN 200

PHENIX

１　目的

３

トリガーカウンター

Beam Beam Counter

広島大　 ΔT ～ 40ps

ストップカウンター　 Time Of Flight

　筑波大　 ΔT ～ 80ps

Beam　Line

１ - ２．既存の衝突検出器

Vertex

TOFmeasured – TOFexpected [ns]

右図　清道明男氏作成

１　目的

σ～ 115ps

４

１ - ３．なぜ、新たなトリガーが必要か？　　 20002000 年年 44 月月

表、下図　小野雅也氏、江角晋一氏作成

① 　 TOF に Hit する Event の収集効率を上げる

② 　 BBC では、 Event に Biasがある

～ 10 ％

tof w. bbc-or-trigger / tof

～３３％

tof w. T0-trigger / tof

tof w. T0-trigger tof w. bbc-or-trigger

TOF

T0BBC

１　目的

BBC T0

Au+Au ～ 100%

p+p (RQMD)

42% 29%

p+p (Pythia) 51% 36%

５

２１．ｰ Time Zero Counter の設計　　 20002000 年年 44 ～～ 66月月

粒子識別されたハドロン測定のために

• 長さ 1m で ΔT<80ps Optical Monte Carlo Simulation

• 高磁場下で運用可能磁場中での PMT のテスト

B ～ 3k Gauss , 30°

Beam Beam

z

R

2 　設計

1m

R=60m

22 80115

６

２２．ｰ Optical Monte Carlo Calculation 　　 20002000 年年 66 月月

※ 　 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 349 (1994) 447-453

QE)exp()987.0( pathn

threshold

TDCTDC

V(t)

　　　T

もし光電子が発生したら、１光電子分のパルスを生成

0.987 : Reflectance ※

n : # of reflect

λ : Attenuation length

photon

disappear

or none

R

T1 　　　　 + 　　　　　　 T2 　　　　　　　　　　 +　　　 T3 　　　 = 　 Tt Tt

T1 : Time for scintillator to emit photon 　　　　　　　　　　　　　　　 Rise Time = 0.7 ns , Decay Time = 1.8 ns

T2 = ( Optical path ) / c

T3 : Transit Time and T.T.S in PMT 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Transit Time = 9.5ns , T.T.S = 440 ps

Time Resolution

V(t)

2 　設計

７

２３．ｰ Optical Monte Carlo の結果　　 20002000 年年 66 月月

⊿TL⊿TR

x [cm]

π ｰ

厚さ 2cm のシンチレーターで、時間分解能～60ps

2 　設計

100

1000

0 20 40 60 80 100

X [ cm ]

t=1cm

t=3cm

t=2cm

0

50

100

150

200

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 1 2 3 4t [cm]

0.1

1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

ADC-data

0 degree - 2000V15 degree - 2000V30 degree - 2000V30 degree - 2000V (sample2)210 degree - 2000V0 degree - 1600V15 degree - 1600V30 degree - 1600V

[ Gauss ]磁場

８

30°

30°

15°

15°

0°

0°

Open -1600V

Close -2000VLaser

B θ HV -2000V ‥‥ ～ 40Npe

　 -1600V ‥‥ ～ 160Npe

　 R5924 　浜松ホトニクス

　 Fine 　 Mesh 　型　 PMT　 T.T.S ～ 440ps

　 gain 105 ～ 107

電磁石提供　　 KEK　佐藤任弘先生

高磁場中でも、動作可能 0 1 2 3 4 5 6 7 8

磁場 [ k Gauss ]

30

40

10090 80 70

50

60

2 　設計

0.1

1

時間

分解

能　

[ps]

相対

的な増幅

率

２４．ｰ PMT‥ 磁場に対する性能評価　　 20002000 年年 1010 月月

９

３１．ｰ KEKテストビーム実験　　 20002000 年年 1212 月月

2GeV/c pi- beam

start1start2veto

define1

define2

T0B-field

π-

セットアッセットアッププ

KEK , T1ビームライン , No. T-479

3　テスト実験

１０

３２．ｰ得られた分布　　　 20002000 年年 1212 月月

TDC

ADC

Slewing correction

ST1-ST2

ST1-T0 ST2-T0

T0: 59ps

ST1: 39ps

ST2: 31ps 50ps

71ps 67ps

20

22

20,2

20

21

20,1

22

21

22,1

TsTs

TsTs

ssss

bADC

aTDC

3　テスト実験

40

50

60708090100

0 20 40 60 80 100

１１

３３．ｰ KEKテスト実験の結果　　　 20002000 年年 1212月月

50 cm⊿T

B

⊿TL⊿TR

x [cm]

π ｰ

　　 2×2 OUT

　　 2×2 IN

　　 2×8

⊿T

[25

ps

e]

B [Gauss]x [cm]

磁場の影響は少ない

3　テスト実験

時間分解能～ 60psec

時間

分解

能

[

pse

c ]

Open - Monte Carlo

Close – KEK test

ΔTL

ΔTR

ΔT

１２

４１．ｰ製作　　　 20012001 年年 44 ～～ 1010 月月 4 　製作・インストール

１３

４２．ｰインストール　　　 20012001 年年 1111 月末月末 4 　製作・インストール

１４

５１．陽子・陽子衝突で得られた分布　ｰ 20012001 年年 1212月月

Z position [cm]

MIP

1m

Energy Loss [MeV]

T0TZC – T0BBC [ns]

5 　 p+p 実験データ

T0 Counter は正常に動作している

１５

５２．ｰ Calibration の現状

6. Energy loss Conversion factor

2. Charge Conversion parameter3. TVC/QVC pedstal

5. Z position Offset

4. Light velocity in scintillator

1. Time Conversion parameter

7. Time Offset

8. Slewing Parameter

9. Global Time Offset

We will construct offline software to get the track.

５

Z [cm]

MIP

Blue : complete

Orange : Rough (as first order)

Gray : after we get the track

６

１２

2002 年 1 月


Energy Loss [MeV] ⇔QVC[ch]

１６

５３．トリガーカウンターとしての役割　ｰ 20022002 年年 11 月月

T0 Counter は trigger として有効

pp collision 　～ 70

24 69


T0 trigger 15

BBC trigger 33

１７

５４．陽子・陽子衝突での粒子識別　　ｰ 20022002 年年 11月月

T0 Counter は粒子識別に成功


清道明男氏　作成　 2002 年 1 月 22 日

１８

６．まとめ

　 PHENIX 実験 p + p 衝突用トリガーカウンター（ Time Zero Counter ）を　　

設計・製作、そして PHENIX 検出器にインストールした。

　高磁場用 Fine Mesh 型 PMT （ R5924 HAMAMATSU ）の磁場に対する性能評価を

　 KEKにて行った。

　 Fine Mesh 型 PMT とシンチレーター（ BC404 ）を組み合わせることにより、

　トリガー及びスタートタイミングを高磁場中で得ることができた。

　時間分解能は～ 60psec を達成し、モンテカルロシミュレーションと近い値を得た。

　 p + p 衝突実験において、 Time Zero Counter は新たな衝突検出器として

　正常に動作しており、 TOF を用いて、粒子識別を行うことができた。

今後の課題

　より正確に Calibration 　 Parameter を求め、粒子識別の精度を上げる。

6 　まとめ


１８

１－１． p+p データの活用例

00

2 pT (GeV/c)

4

1

2

RAA

GeVsNN 31

GeVsNN 17

GeVsNN 130

The A+A collision as a sum of independent nucleon-nucleon (N+N) collisions.

Suppression of Hadrons with Large Transverse Momentum

Phys. Rev Lett. 88 , 022301 , (14/Jan/2001) K.Adcox et al. (PHENIX Collaboration)


３

トリガーカウンター　 Beam Beam Counter

ストップカウンター　 Time Of Flight

　筑波大　 ΔT ～ 80ps

Beam　Line

広島大　 ΔT ～ 40ps

１ - ２．既存の衝突検出器

Vertex

TOFmeasured – TOFexpected [ns]

σ~90ps

右上図　清道明男氏作成


７

２３．ｰシンチレーターの厚さは？

厚さ GEANT より放射長より

2.0 cm 2.5 % 2.4 %

2.5 cm 2.8 % 3.0 %

3.0 cm 3.4 % 3.5 %

　 γ→e+e- の確率　時間分解能

1.5×1.5 [cm2]

1.2×1.2 [cm2]

0.8×0.8 [cm2]

0.5×0.5 [cm2]

⊿TL⊿TR

x [cm]

π ｰ charged particle x [cm]

BICRON BC-404 2cm×8cm×1m

左図　 Nucl. Instr. And Meth in Phys. Res. A347(1994)447-453 　、　右図　小野雅也氏作成


７

２３．ｰライトガイドの決定

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

inseide①outside①inside②outside②inside ③outside③inside④outside④

L [cm]

L=10 , 18 cm


９

２５．ｰ対生成電子測定のために

Photon Conversion Rejecter

PMT

WLS-fiber（ BCF-

92）Plastic Schintillator(BC 404,BC408)

Efficiency = 83.4 ± 0.2 %

團村絢子　自然学類卒業論文（ 2001 年）より

鶴岡裕士／筑波大学／ tac ／２００２年１月 2 ３日

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