CERN-SPS 重粒子照射による CALET 電荷検出装置の性能テスト

CERN-SPS重粒子照射によるCALET電荷検出装置の性能テストCERN-SPS重粒子照射によるCALET電荷検出装置の性能テスト小澤俊介，赤池陽水A，植山良貴，笠原克昌，金子翔伍，齋藤優，田村忠久B，鳥居祥二，仁井田多絵，村田彬，他CALETチーム早大理工，東大宇宙線研A，神奈川大B 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

450 mm mm mm 320 mm CALET検出器構成 X軸、y軸方向にそれぞれ14本 IMC ： Imaging Calorimeter シャワー初期発達、到来方向の測定 - Scintillating Fiber (SciFi) 1mm×1mm×448mm 448本× (X,Y) × 8層 - W plate 0.2X0× 5枚+ 1X0× 2枚(合計3X0) CHD ： Charge Detector 入射粒子の電荷測定 -Plastic Scintillator 32mm×10mm×450mm 14本×2層（X,Y） TASC ： Total Absorption Calorimeter 粒子識別、エネルギー測定 - PWO (20mm×19mm×326mm) 16本×12層(計27X0) 上面 450 CALET検出器 450 側面日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CALET-CHD概要 • プラスチックシンチレータ（EJ-200）と光電子増倍管(R11823)をアクリル製ライトガイドで接続 • 全体を反射材（3M社製 ESRフィルム）で覆う 32mm 82mm 450mm カタログ値(BC404相当) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CERN SPS重粒子照射実験 • 実施期間 • Jan.24th-Feb.4th2013 • 検証項目 • 測定ダイナミックレンジ • 相対論的エネルギー粒子入射時の電荷分解能 • 照射ビーム • Pb（82,208） 30GeV/n の破砕核（Be ターゲット） • A/Z~2で選別 • 読み出し回路 • TASC-FEC BBM(PMT用) Beam Beam tracker 実験セットアップ Trigger Detector CHD-0 CHD-1 Beam 182cm 8cm 48cm 46cm 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Beam trackerによる核種の選別 Beam tracker Structure Y • Beam tracker • Upper tracker : シリコンストリップ2層 + 　シリコンピクセルアレイ4層 • Bottom tracker :シリコンストリップ 6層 • シリコンピクセルアレイの出力相関による選別 • 各層の最大出力のピクセルの代表値とする． • 1,2層目の平均と4層目の出力の相関をとる • 相関中央から外れるイベントをカット • 　　　　⇒Beam Tracker中で相互作用したイベントを排除 • 相関を45°の直線に射影し分布を作成 • この分布に対し，各領域において四重Gauss分布 • 　に当てはめ，±1σの範囲でイベントを選択 X B C N O The distribution of the correlation ma p（45°projected，B~O） Correlation map of Si Pixel （Ave. 1st & 2nd layervs 4th layer） ±σ ±σ ±σ ±σ 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CHD 0 Signal distribution (before / after selection by Beam tracker) CHD電荷分解能 Beam trackerで選別した各電荷(Z=1~26)について CHDの出力信号分布にガウス関数をあてはめを算出 Number of events Before selection - 電荷Zにおける中心値　μZ - 電荷Zにおける出力分布の分散　σZ B C N O MIPS CHD 0 Signal distribution(B,C) CHD 0 Signal distribution(Mn,Fe) Mnμ25 : 392.8 σ25: 9.81 Feμ26 : 418.6 σ26 : 9.86 B μ5 : 27.3 σ5: 1.81 C μ6 : 38.0 σ6: 2.19 Number of events Number of events Mn Fe B C MIPS MIPS 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CHD電荷分解能 • Beam Trackerで選別した各電荷(Z=1~26)について， CHDの出力信号の分布から求めたμZ，σZから，電荷分解能を以下のように定義 R:電荷分解能 σZ:電荷Zにおける出力分布の分散 μZ:電荷Zにおける中心値 Charge resolution(CHD0) R[e] CHD0（ビーム上流側）の電荷分解能 B,C： ~0.2e Fe : 0.38e Preliminary Z[e] 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

B/C比観測感度 Distribution of B and C (800~1600GeV/n) B,Cの電荷分解能から観測可能エネルギー領域を推定 4.8σ6 4.8σ6 Bの平均値に対し Cの平均値が4.8σ6 分離 B B C C Cによる分布の漏れ込みがσBの範囲に入る割合はCのイベント数に対して7.24×10-5 B/Cエネルギー依存性 5年間の観測で TeV領域までのB/Cの測定が可能 B/C ratio∝E-δ →δを±0.05 程度で推定可能 δ=0.3 δ=0.6 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

観測ダイナミックレンジ Fh: 0.41±0.003 Bs : 7.70±0.07 ×10-3 • SPSでの照射実験の鉄核測定に基づいて • ADCの上限値で限定される • Z=26 →~14,000 ADU • クエンチングの式（Tarle’s formula) • にて概算　 • ⇒ Z ~ 40　までの測定が可能 *Tarle et.al, The Astrophysical Journal 230 (1979) 607 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

まとめ • CERN SPS Heavy Ion Run　データ解析（シリコン検出器を用いたイベント選別） • 電荷分解能（Preliminary） • B,C領域→~0.2e • 4.8σC(NBへの漏れ込みは~Nc×10-4) • B/CRetio∝E-δ，　δ± 0.05程度で推定可能 • High Z →〜0.35e • ダイナミックレンジは超重核(Z~40)の観測が可能 • 観測に向けて • 電荷検出性能のエネルギー依存性について • 実験データのより詳細な解析＆シミュレーションスタディ • 前方物質の影響について • 解析手法の改良 • CHDを2層用いる方法 • SciFiを用いる方法日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

END 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CALET-CHDの観測目的 宇宙線エネルギースペクトルのKnee領域： 1015～1016eV 　→衝撃波加速モデル：加速限界が電荷に依存 Emax〜100×Z [TeV]* エネルギースペクトルは電荷増大と共に冪が小さくなる →電荷増大で断面積が大きくなり、磁場からの漏れ出し前に相互作用 *Cesarsky & Lagage(1981) 核種ごとのエネルギースペクトル観測 →電荷に依存した折れ曲がりの有無の検証 HIMAC（放医研），SPS（CERN）において，重粒子照射実験を行い，CHDの電荷測定性能を検証日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

電荷選別手法① • MTXのPIXELでの通過位置によってイベントを選別 • （MTX0+MTX1)/2(=T)とMTX3(=B)が |(T-B) /(T+B)|<0.15 　　となるイベントを選別 • T, BのScatterPlotを45°の直線に射影しヒストグラムを作成し、ガウス関数をFitしてPeak±1σの範囲で電荷を識別日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Charge resolution of MTX 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CHD電荷分解能(@ICRC2013) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Chi2/ndf:1.39976 Peak:27.3289±0.038716 Sigma:1.78952 ±0.0477753 Chi2/ndf:1.93863 Peak:38.0419 ±0.0338135 Sigma2.18663 ±0.0437589 Chi2/ndf:1.32947 Peak:392.848±0.720586 Sigma: 9.93667 ± 0.762094 Chi2/ndf: 0.85334 Peak: 418.922±0.770675 Sigma:9.57006±0.744359 • CHD0 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Chi2/ndf:1.67212 Peak:28.588±0.0622729 Sigma:2.56922 ± 0.0862599 Chi2/ndf: 1.99129 Peak: 39.8833±0.0447144 Sigma2.79925± 0.0594555 Chi2/ndf:0.767813 Peak:429.592±0.925554 Sigma: 12.7488 ± 0.938563 Chi2/ndf: 1.09997 Peak: 461.646 ±1.46345 Sigma: 15.3955 ±1.63027 • CHD1 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

選別後のCHD0とCHD1のScatterplot • 45°に射影したヒストグラム（黒線:解析条件1） B C N O 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Chi2/ndf:1.26659 Peak: 39.5354±0.0534949 Sigma: 2.32779±0.0688625 Chi2/ndf:0.928851 Peak: 55.1892 ± 0.043887 Sigma 2.8639 ± 0.0555972 Chi2/ndf:1.03567 Peak: 582.227 ± 0.946103 Sigma: 12.2782 ± 0.944408 Chi2/ndf:0.887022 Peak: 619.344±2.03379 Sigma: 17.0124±2.45911 • CHD0&CHD1 σZ/(μZ+1-μZ) σZ/(μZ-μZ-1) 日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

Beam Trackerによる核種同定 • Beam Tracker • Upper tracker : シリコンストリップ2層 + シリコンピクセルアレイ4層 • Bottom tracker :シリコンストリップ 6層 Y X Beam Tracker 構造シリコンストリップの間隔は0.721mmで，粒子飛跡のトラッキングが可能ピクセルアレイは1cm x 1cmのPIN-PDを用いたシリコン検出器で8 x 8で並べられているシリコンピクセル1，2層目の出力平均と3層目の出力との相関から，入射核種を同定日本物理学会第68回秋季大会@高知大学

CERN-SPS 重粒子照射による CALET 電荷検出装置の性能テスト