東大素粒子セ, PSI A, UCI B, ETH C 岩本敏幸 A, 内山雄祐, 大谷航, 小曽根健嗣 A, 澤田龍, 名取寛顕, 西口創, 久松康子, 三原智, 森俊則, 山田秀衛 B, M.Schneebeli C, S.Ritt A 内山 雄祐 日本物理学会2006年年次大会 @愛媛大・松山大.

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東大素粒子セ, PSI A, UCI B, ETH C 岩本敏幸 A, 内山雄祐, 大谷航, 小曽根健嗣 A, 澤田龍, 名取寛顕, 西口創, 久松康子, 三原智, 森俊則, 山田秀衛 B, M.Schneebeli C, S.Ritt A 内山 雄祐 日本物理学会2006年年次大会 @愛媛大・松山大 2006年3月27日 MEG 実験用液体キセノン検出器の 波形解析による性能評価

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 2 Contents Introduction Performance estimation of MEG  -ray detector Pile-up rejection Summary

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 3 Using Lq.Xe as scintillator large light yield short decay time short radiation length Major background Prompt background Accidental background e    e  e   ee ? signal background 52.8MeV Background & waveform data Unsegmented detector → limit this experiment Photon yield Pile-up photon yield Good resolution Pile-up rejection Crucial for the MEG experiment and very difficult without waveform image

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 4 Waveform data Developed by Stefan Ritt NIM A 518(2004) 470 DRS Domino Ring Sampler (DRS) Xe waveform data were already taken successfully using prototype detector Xe 2.5GHz sampling Analog sampling chip, switching capacitor circuits Max sampling speed 4.5GHz (required 2GHz) Sampling cells 1024 Read out speed ~40MHz, 12bits Domino wave runs continuously, only stopped by the trigger (role of analog pipeline) We have also already developed waveform simulation successfully. Xe scintillation pulse x10 -6

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 5 Waveform analysis Baseline Charge integration Constant fraction timing Pulse fitting using template –Baseline, Charge, timing –Chi-square Fast analysis

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 6 Performance Estimation of MEG  -ray Detector using Waveform Simulation The first estimation –Full simulation of the final detector –Using waveform –Uniform injection for active volume

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 7 Liq. Xe  -ray detector Development view Cross section view For signal  -ray(52.8MeV) charge from integration timing from template fitting (   fitting) Coordinate system

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 8  z =5.4mm  v =4.8mm Position resolution  w =6.6mm Depth Simple calculation of solid angle Fitting light distribution For energy deposit > 50MeV

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 9 Qsum after correction Depth corr. Energy reconstruction Sum of charge of all PMTs Weighted by density of PMT correction by position cut if depth < 2cm (efficiency 81%) High energy tail is crucial  up =1.2% FWHM = 3.1% Cut events if one PMT observe more than 9000p.e. (efficiency 91%) Light is concentrated on one PMT

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 10 Depth correction. Time resolution Average of time of each PMT Weighted by square root of N p.e. N p.e. threshold Correction by depth Correction by position For energy deposit > 50MeV  t =71psec X10 -9

Pile-up rejection

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 12 Pile-up event 1 PMT output 2000p.e p.e.,  T = 20nsec 11 22 Lq. Xe after  T # of p.e.  T = t 2 – t 1 E 1 + E 2 = 1 (signal energy)

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 13 Pile-up Analysis Time separation –Use time distribution of each PMT –When gammas are away both in time & space. Waveform analysis –When gammas are close spatially. Pattern recognition –When gammas incident at the same time. –Two gammas from AIF

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 14 Pile-up rejection by waveform  T=50ns.  T=15ns 11MeV + 42MeV Peak search method Differential method  T 8ns  T 10ns  T 15ns  T 50ns  T 100ns Weak point  T less than 10nsec Small pulse after large one Misidentification probability < 0.05%

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 15 3cm 4ns 10cm  space 10ns 30ns Waveform  time Ex. E1 + E2 =

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 16 Pile-up rejection by timing If time difference > 4nsec, then that event is pile-up event. Assume, Miss ID probability : 1.0% Maximum time difference between PMTs  T = 8nsec Can close up to 3~4 nsec

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 17 3cm 4ns 10cm  time  space 10ns Waveform Timing 30ns Ex. E1 + E2 =

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 18 Pile-up rejection using  2 If  2/NDF > 2, then that event is pile-up event. Assume, Miss ID probability : 3.7% = 1 ( E1 + E2 = Esignal )  t = 10nsec Rejection efficiency : 72.3% Distance of two gamma < 20cm Maximum of (  2/NDF ) Distance of two gamma

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 19 3cm 4ns 10cm  time  space 10ns Waveform Timing 30ns Ex. E1 + E2 =

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 20 3cm 4ns 10cm  time  space 10ns Waveform AIF Timing 30ns Ex. E1 + E2 = Photon Distribution Pile-up rejection using light distribution

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 21 Summary Performance estimation was done using simulated waveform Able to get performance estimated from prototype detector ( a bit worse) Large improvement in pile-up rejection Prototype beam test Simulation position4mm5mm energy1.3%1.2% timing65psec71psec (sigma) new geometry (C-shape) waveform data randomly injection

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 22 Summary It is important to develop the algorithm appropriate for the design of final detector Pile-up rejection by light distribution Preparation to analyze real data Data taking will start in this year

End of slides

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 24 Physics motivation SU(5) SUSY-GUT SM によるバックグラウンドがない Clear 2-body kinematics –Ee = E  = 52.8 MeV –Back to back –Time coincidence Lepton Flavor Violation 過程 minimal SM では禁止されている Sensitive to the new physics –SUSY GUT –SUSY seesaw, etc

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 25 MEG experiment Approved in 1999, at Paul Scherrer Institut Physics run in 2006 Initial goal at , finally to  + beam : 世界最大強度 DC Beam 10 8  + /s  detector : 800liter 液体キセノン シンチレーション検出器 850 PMTs e + detector : 勾配磁場をつくる超伝導 ソレノイドマグネット (COBRA) Drift chamber system Timing counter → 波形データ

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 26 DRS principle Shift Register Clk IN Out “Time stretcher” GHz  MHz Waveform stored Inverter “Domino” chain ns FADC 40MHz

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 27 Error of pulse shape Basically consider the statistical error of photoelectrons. Have to take care of the correlation between point and point. Some kind of scale factor(like fano factor) E  Estimated error Actual deviation data simulation Choose this factor from the effect of shaping of the system

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 28 Shower estimation Reconstruction of 1 st interaction point is affected by spread of shower Center of light would reflect the effect Zave - Zrec Zrec –Z0

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 29  z =5.4mm  v =4.8mm 位置依存性? Position resolution Energy deposit > 50MeV に対して

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 30 Depth reconstruction Depth parameter –  2 –Nf(0.5) –Fit parameter d  deep  shallo w Fitting light distribution is suitable for the final detector

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 31 Energy resolution Event in high energy tail are seen when light is concentrated on one PMT Cut events if one PMT observe more than 9000p.e. (efficiency 91%)  up =1.2% FWHM = 3.1% Total # of p.e. No events

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 32 Time resolution Shallow event –High threshold for Np.e. –Inner face only Deep event –Low threshold –Use all faces p.e. > 1100 PMT (inner face) p.e. > 100 PMT (all faces) # of PMTs used for timing

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 33 + PILE UP EVENTS (RD+RD dominant) Qsum spectrum Radiative decay AIF RD+RD (muon stop rate=E7) Reconstructed E Photon yield per muon decay # of Background events, 2 years RUN TOTAL RD AIF RD+RD Muon stopping rate [/sec] Reconstructed E Background

27/Mar/2006 日本物理学会 2006 愛媛大・松山大 34 CL 90% Sensitivity BEAMTIME=4E7 sec 2 year YEAR MONTH BEAMTIME