ミュオン g-2/EDM 検出器

1. ミュオンg-2/EDM検出器 理化学研究所　 上野一樹 for the J-PARC muon g-2/EDM collaboration the 1st H-Line Workshop 2012.5.19

2. もくじ • イントロ～陽電子飛跡検出器 • R&D進捗状況 • シミュレーション • トラッキング • センサー評価 • 環境系（電場測定、磁場変動、周波数標準） • 読み出し回路 • まとめ

3. イントロ～陽電子飛跡検出器

4. J-PARC ミュオン g-2/EDM実験 ミュオン異常磁気能率⇒実験と理論で3σのずれ 新たな実験にて検証（0.1ppmの精度） 陽子ビーム ミュオニウムレーザーイオン化 陽電子飛跡検出器 極冷μ+ビーム300MeV/c 物質生命科学実験施設(MLF) ミュオン基礎物理ビームライン（H-Line） 極冷 μ+ビーム: 強度　　106/sec 運動量　300 MeV/c (γ = 3) σ(pT)/p < 10-3 偏極度　>50% ミュオン蓄積磁石（3T）

5. 新実験の挑戦 • 貯蔵リング収束電場E=0 • PT/PL～10 -5程度のペンシルビーム • 室温標的からのミュオニウムをレーザー乖離して　　300MeV/c まで加速 =3 ( =0.92) • 高強度・高均一度のコンパクト貯蔵リング磁場 • 3 tesla (R=33.3cm), 1ppm local  MRI技術応用 • 非常に弱い(<0.1ppm)収束磁場オプションも検討 • コンパクト貯蔵リング内側に更にコンパクトな崩壊陽電子検出器 三部さん発表 飯沼さん発表 本発表

6. 陽電子飛跡検出器への要求 Pμ=300 MeV/c Instantaneous rate e+ • 一様磁場中を周回するミュオンの崩壊陽電子の飛跡・時間測定 • 貯蔵リング内側に検出器 • 高磁場　3T • ミュオン蓄積領域の磁場変動小（<10ppm）、ゼロ電場（<<10-2V/m） • 高イベントレート ＞10 MHz • 大きなレート変化（測定の最初から最後で２桁減少） • J-PARCのビームパルス構造（25Hz）に同期したデータ読み出し • 多数のヒット点から陽電子飛跡を検出する必要 3T ν リング：66cm top view (崩壊陽電子）by Geant4 崩壊陽電子レート＠リング内側

7. 陽電子飛跡検出器 シリコンべーンストリップ検出器 高いgranularity 早い応答 高安定性 シリコンストリップ検出器を放射状に配置

8. シリコンストリップモジュール T. Kohriki • シリコンストリップセンサー６枚をセンサー毎に読み出す。 • 蓄積領域（高真空）との境界窓を薄くするため、シリコンストリップモジュールは低真空(P<0.1Pa)環境に設置。

9. 設計パラメータ

10. R&D進捗状況

11. Core R&D tasks GEANT4 simulation, toy MC Track finding/fitting studies • Detector should be efficient for • Positron track with p = 200 - 300 MeV/c in 3Tsolenoidal B-field • with a radial vertex resolution of s=1 mm (if very-weak focusing is applied). • Immune to early-to-late effect • The decay positron rate changes by two orders of magnitude. • 1.6 MHz/strip  10kHz/strip for 200 um pich Silicon strip. • The positron detector must be stable over the measurements. • Zero E-field (<<10-2 V/cm) at muon storage area • Not spoil the precision B-field ( <<0.1ppm) at muon storage area • Efficient readout in compatible with the J-PARC beam pulse structure feedback DSSD sensor evaluation E-field calculation model B-field measurements by NMR Front-end electronics

12. K. Ueno H. Iinuma シミュレーション • Condition（理想状況下） • 磁場：3 Tesla • 電場：0 V/m • γμ : 3 (300 MeV/c) • Rμ: 333mm • 真空下 • シグナル：Ep>200 MeV • 検出器 • Vane # :48 • サンプリングrate :5nsec • ストリップピッチ : 200mm • 厚さ : 300mm • ジオメトリ side view top view

13. K. Ueno H. Iinuma ヒットイベントの時間変化 t=0-40us (1us刻み) XY φZ G4 simulation 1 spill (40000 muon decays) Strip Occupancy (SO) SO <0.5% / 5ns time stamp (5 hits/strip/spill) 15 e+ signal, 30 BG signal at first 5ns Signal: e+ >200MeV BG: e+ <200MeV, δ-ray, shower 今後、より現実に近い ジオメトリに変更

14. K. Ueno W. Da Silva F. Kapusta トラッキング Track finding single track finding efficiency ・Hough transform & clustering in fZ-plane ・Track finding efficiency > 90% for single track G4 simulation Track finder (Hough) Track fitting Single track fitting ・GENFIT(Karman filter) Multi track reconstructionツール を現在開発中

15. T. Kakurai, T. Mibe, O. Sasaki, T. Kohriki センサー評価 DSSD(Belle-II)、赤外レーザーを用いた評価 Early-to-late効果の系統的なスタディ その他センサーのレスポンススタディ 　⇒今後シミュレーションへfeedback 現在進行中

16. H. Murakami J. Murata T. Mibe 電場測定 ねじれ秤を利用した電場測定の原理実証 高感度化、その他の案の検討 現在進行中

17. O. Sasaki, T. Mibe M. Tanaka, T. Uchida J.F. Genat, K. Ueno 読み出し回路、DAQ • J-PARCの25 Hzのパルスビーム構造に同期して読み出し。 • ビーム入射後33μsにわたって測定。次のパルスが来るまでにデータを転送。 • ASDのデジタル出力を5nsのタイムスタンプでバッファメモリに格納（１スピル分）。 • 後段読み出し回路でスピル毎にデータを吸い上げる。 • 目標精度に達するためにはタイムスタンプの安定度（ΔT/T << 4x10-9）が重要。ルビジウム原子時計とGPSおよび周波数国家標準（産総研NMIJ）に同期したクロックを用いる。

18. M. Tanaka,T. Uchida M. Ikeno,O. Sasaki K. Ueno Front-end ASIC • Analog and digital part of the ASIC has been designed in JFY2011. Simulated pulse shape in ASD Preamplifier output Shaper output 6月頃1st version ASICが出来上がる 評価用回路も並行して開発、現在納品待ち 評価結果を2nd (final?) ver.にfeedback Comparator output

19. まとめ • ミュオンg-2/EDM精密測定 • シリコンべーンストリップ検出器 • 要求 • 200-300MeV/cの陽電子飛跡を検出 • レートに対する高安定性 • 電場ゼロ（<10mV/cm） • 磁場変動ゼロ（<10ppm） • J-PARCビーム時間構造に同期した読み出し • 各パートR&D進行中