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オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系 QED の実験的検証

日本物理学会 第 61 回年次大会 　愛媛大学、松山大学 2006.3.27. オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系 QED の実験的検証. 東大素粒子センター（ ICEPP ）　片岡洋介 浅井祥仁、小林富雄. イントロダクション. 束縛系 QED 高次輻射補正 の扱いが難しく、未だ一般的な計算手法が確立せず、実験的な検証が必要 オルソポジトロニウム (o-Ps) 寿命が長く ( 約 142ns ) 、直接測定が可能 ハドロンのような強い力に伴う不定性がない O(α 2 ) の計算が実際に行われている o-Ps 寿命測定

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オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系 QED の実験的検証

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Presentation Transcript

  1. 日本物理学会 第61回年次大会 　愛媛大学、松山大学 2006.3.27 オルソポジトロニウムの寿命測定による束縛系QEDの実験的検証 東大素粒子センター（ICEPP）　片岡洋介 浅井祥仁、小林富雄

  2. イントロダクション • 束縛系QED • 高次輻射補正の扱いが難しく、未だ一般的な計算手法が確立せず、実験的な検証が必要 • オルソポジトロニウム(o-Ps) • 寿命が長く(約142ns)、直接測定が可能 • ハドロンのような強い力に伴う不定性がない • O(α2)の計算が実際に行われている • o-Ps寿命測定 • 東大、ミシガン大によって精密測定が行われている • 現在の精度は約200ppm 　さらに精度を上げてO(α2)補正項を検証 G.S.Adkins(2000)

  3. γ ターゲット （シリカ） o-Ps生成 e+線源 γ γ Δt γ 物質(ターゲット) o-Ps γ 実験手法 • 物質との相互作用による対消滅(pick-off)の正確な取り扱いがカギ • 3γ崩壊 （λ3γ） • Pick-off （λ(t)） • 観測される崩壊率 １．Ge検出器を用いてγ線のエネルギースペクトラムを測定し、 ２.３γの連続分布と511keVのピーク(pick-off)の比からλpick(t)/λ3γを測定  熱化過程を考慮した正確な測定が可能　(詳細は後述) この実験手法に基づく、さらに高精度な測定を行っている

  4. 今回の実験のセットアップ • 前回(2001)のセットアップの限界～統計誤差170ppm • 統計を増やすため抜本的な改善が必要(詳細は後述) • 線源を変更 • トリガーシステムを変更 • シンチレータを変更 統計10倍化 真空容器 　線源 　トリガー用プラシン 　シリカエアロジェル YAPシンチレータ　4台 （o-Ps寿命測定用） Ge検出器(同軸型)3台 （pick off rate 測定用）

  5. セットアップI 線源周り ½インチPMT • β+線源 • 前回(22Na)はプラシン中で大部分が対消滅 • 68Ge (Eβmax1.9MeV)を採用　 0.4μCi • 陽電子トリガー • プラシン(200μm厚) • アルミナイズドマイラーのコーンで光収集 • シリカエアロジェル • 0.03g/cm3 • 前回はシリカパウダー • アンチトリガーを導入 • 約半数のe+がシリカを抜ける 　　（DAQレートを圧迫） • 円筒形プラシン(1mm厚)で陽電子を捕捉 1インチPMT ライトガイド プラシン (200μm) プラシン (1mm) 68Ge 105mm e+ シリカエアロジェル 65mm

  6. セットアップII γ線検出器　 高統計な測定に適したYAP（YAlO3）シンチレータを導入 • 減衰時間約30nsのシャープな波形 (前回:NaI～230ns)  pile up が大幅に減少 • 優れた時間分解能(～400ps) • 安定な物性 • 潮解性がなく、非常に硬い結晶 • その他 • 光量 40%(NaI比) • Z=39 400ps @511keV 今回使用したYAPの結晶 50mm×50mm×33mm

  7. 解析I time walkの補正 • YAPの補正 • 速い立ち上がり • γ線のエネルギーで補正  約400psのtime resolution • Geの補正 • 遅い立ち上がり(～200ns) • 立ち上がりの時間で補正  約3～5nsのtime resolution Walk エネルギー Walk cut 立ち上がり時間

  8. 解析II 3γのnormalization Energy spectrum Ge time spectrum prompt 2γ(511keV) data • simulation(Geant4)による3γスペクトラムを dataの3γ連続分布でnormalize  pick offの割合を求める　（n2γ/n3γ） • 崩壊時間毎にslice  pick-offの割合の時間依存性が分かる decay curve 3γ simulation accidental

  9. 解析III pick-off rate • 測定されたpick-off rate • o-Psの熱化を反映した 　　カーブが観測される • 数百nsで収束、約2% • pick-off rateをlife time fittingに取り込むことで 正確に崩壊率が求まる

  10. 解析IV time spectrum fitting YAP time spectrum Fitting 関数 prompt 3γ decay curve Free parameter: λ3γ,N0,C accidental

  11. 電場の弱い部分で SRTが発生 cut 立ち上がり時間(50-150keV) G4(補正) 511keV peak 電荷収集のもれ pile up G4 Systematic error Simulation(Geant4)で考慮されない検出器の特性が主要なエラー • SRT (遅い立ち上がり成分) • 円筒同軸Geの複雑な電場 • Resolutionが悪く、テールになるため、offlineでカット  Efficiencyを正確に見積もり、simulationに入れる必要がある (エネルギー依存性、位置(電場の強弱)依存性) • Response function • 電荷収集のもれ（特にSRT成分）やpile up • 2γピークの数や3γのスペクトラムを変化させる  正確に見積もり、simulationにフィードバック 現在、スタディ中

  12. エアロジェルのラン(約2ヶ月) O(α2)計算値 統計エラー 150ppm Life timeと今後の計画 Preliminary(系統誤差含まず) • fitting start time依存性は • 　比較的少ない • 熱化過程の補正 • systematicなずれ •  systematic errorを中心に • 　　　現在調査中 • 次期計画 (データ収集開始) • pick offが約1/3のシリカパウダーを採用 •  efficiencyなどpick offに比例するsystematicエラーを抑える

  13. まとめ • オルソポジトロニウムの寿命測定のセットアップを構築 • 高統計、高精度な測定が可能になった • 2ヶ月の運用で統計エラー150ppmのデータを収集 • 統計量の増加を確認 • 次の長期ラン(約半年)で統計エラーを100ppm以下に抑える • systematicエラーの評価と改善を行っていく

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