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筑波大学講義 粒子検出器

筑波大学講義 粒子検出器. 幅　淳二 ＫＥＫ. 最初に自己紹介. 高エネルギー加速器研究機構（ KEK) 素粒子原子核研究所 ＢファクトリーにおけるＢ中間子研究を通じて素粒子の世代（ generation ）の起源をあきらかしたい。 測定器開発室で革新的な detector を送り出したい。. アウトライン. 素粒子を測定する こと 簡単な相対論 最低限の統計モデル 素粒子と物質の相互 作用 位置測定と運動量・崩壊点測定 1 位置 測定と運動量・崩壊点測定 2 粒子 識別 エネルギー 測定. 参考資料.

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筑波大学講義 粒子検出器

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Presentation Transcript

  1. 筑波大学講義粒子検出器 幅　淳二 ＫＥＫ

  2. 最初に自己紹介 • 高エネルギー加速器研究機構（KEK) • 素粒子原子核研究所 • ＢファクトリーにおけるＢ中間子研究を通じて素粒子の世代（generation）の起源をあきらかしたい。 • 測定器開発室で革新的なdetectorを送り出したい。

  3. アウトライン • 素粒子を測定すること • 簡単な相対論 • 最低限の統計モデル • 素粒子と物質の相互作用 • 位置測定と運動量・崩壊点測定 1 • 位置測定と運動量・崩壊点測定 2 • 粒子識別 • エネルギー測定

  4. 参考資料 • 特に断っていない図、多くの説明は以下から引用した。 • PDG http://pdg.lbl.gov/index.html • Review of Particle Physics • J. Beringer et al. (Particle Data Group), Physical Review D86, 010001 (2012)  • Konrad Kleinknecht • “Particle Detectors” • Knoll • Radiation detection and Measurement • 数々のオンライン資料 on the web

  5. 放射線を測定する装置 • ビームモニター • 線量計 • フィルムバッチ

  6. 粒子検出器とはなにか？ • 放射線を検出する機器 • 放射線（束）の強度を計測する（Radiation monitor) • 放射線の基本要素を一つづつ区別して測定する（パルス測定） • 基本要素とは • 電子（β線）、陽子、α線、その他あらゆる荷電粒子・イオン • 光子（可視光、X線、γ線）、中性子、ニュートリノ、暗黒物質 • 水道の蛇口、水量測定（cc/秒）  • 水分子を一つづつ測定

  7. その０：準備のための復習

  8. 簡単な相対論の運動学復習 • 相対論から • エネルギーと質量は等価　 • 質量は速度とともに増加

  9. 光速は超えられない c c/2 c/3 c/4 c/5 = m/m0

  10. 重要な関係式 • 運動量　 • 四元運動量と絶対値

  11. 測定の現実 • E,p,b,gのうち独立なのは二つ • 粒子のエネルギーを測る／粒子の運動量測る／粒子の速度を測る。 • 粒子を識別する。 • （質量を決定する） • 四元運動量を確定する。 • 反応の運動学が確定する。

  12. 反応が測定器内で起こる理想的な状況

  13. 加速器とセンサーを使って素粒子反応を観測するということ加速器とセンサーを使って素粒子反応を観測するということ positron electron 8GeV 3.5 GeV

  14. 素粒子反応を観測するということ＃２ ? • 素粒子反応そのものは見えません. • 真空を保持するためのビームパイプから飛び出す「反応の生き残り」だけが観測されます。

  15. An ideal example fully reconstructed events

  16. 事象の再構成１ • 四元運動量を足し合わせて親粒子の４元運動量を計算する。 娘１ 娘２ 親 不変質量（invariant mass）

  17. J/y m+m- e+e- 質量分布の見かけ が違うのはなぜ？

  18. 事象の再構成２ • 原点付近での交点から、親粒子の崩壊点を見出す。崩壊長から寿命を推測できる。 親粒子がＢ中間子、運動量が １ＧｅＶ／ｃであった時、崩壊長は どのくらいと期待できるか。

  19. Event overlap in LHC  Image credit: Andre Holzner

  20. 事象の再構成３ • LHC実験の場合 Jetのエネルギーはカロリメータで測定 Jet4 Jet5 Jet1 Wcs M=Mw Jet3 s-quark Jet1 c-quark Jet2 Jet3

  21. 演習 • １GeV/cの運動量をもつ荷電π中間子の速度、エネルギーを示せ。 • βが０．９の陽子の運動量とエネルギーを示せ。 • エネルギーが２GeVの陽子の速度と運動量を示せ。 • 中性K中間子はどんな崩壊をするか？その娘粒子の静止系での運動量を示せ。

  22. 検出器研究でよく使う統計モデルの話 • 二項分布 • 検出効率の誤差を見積もる • ポアソン分布 • フォトンカウンティング • ランダム発生の時間間隔 • 正規分布 • 測定精度 • 離散測定での偏差

  23. 二項分布　binomial distribution • n回の試行で、決まった確率の現象がx回起こる確率は？ • 検出効率　p　の測定器でn回測定したら実際に検出される事象は何回か？　　 • n回測定したらm回しか検出できない測定器の検出効率とその誤差を推定せよ。 m

  24. ポアソン分布 Poisson distribution • 単位時間の発生頻度(x0)の定まった現象が実際に単位時間にx回発生する確率 • ある現象が測定期間にＮ回発生した。発生頻度の推定値とその誤差は？

  25. ポアソン分布の応用例 • 微弱光を発する光源に１００回トリガーをかけたが、１０回分は光センサーに信号がなかった。光センサーに入る平均光子数は？ • 発生頻度が単位時間当たりrである現象の時間間隔の分布は？ 0 events 1 event t sec dt sec

  26. ポアソン分布の応用例（続） • 測定エネルギーが最終的に量子の数に比例しているときの測定結果の揺らぎ。(例えばシンチレータと光電子増倍管でガンマ線のエネルギーを測っている）

  27. ガウス分布 Gaussian distribution • ポアソン分布の平均が大きいとき近似可能。平均の周りで対称。 • もっと一般的に測定精度などを記述するときに偏差を精度としてあらわすことが多い。

  28. ガウス分布補足（１） FWMH=2.35s

  29. ガウス分布補足（２） • ホドスコープ測定での測定精度 離散的な位置測定 位置分解能を ガウス分布に当て はめると σ＝⊿Ｘ／√１２ Dx ⊿Ｘ

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