吉原圭亮， 豊田晃久A，五十嵐洋一A，F. HabermehlA， 高橋仁A，家入正治A　，丸山和純A，今里純A， 山崎寛仁B，仲井裕紀C，清水俊C，堀江圭都C，

J. DoornbosD，D. GillD　，M. HasinoffE， C. DjalaliF，M. KohlG

東大理，高エ研A，東北大ELPHB，阪大C，TRIUMFD，Univ. of British ColumbiaE，Univ. of South CarolinaF，Hampton Univ.G　　　

J-PARCハドロン実験ホールにおけるK1.1BRビームラインのビーム調整

11.4.25 1 第66回年次大会　新潟大学

11.4.25 第66回年次大会　新潟大学 2

Outline

•  ビーム調整の目的 •  K1.1BR ビームライン •  ビーム検出器 •  ビーム調整 •  ビーム調整の結果 •  まとめ •  ２０１１年４月のビーム調整へむけて

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ビーム調整の目的 • 　２０１０年夏に完成したばかりの新しいビームラインであるので、ビームライン中のマグネットの調整が不可欠。 • 　単段ESS (静電セパレータ)で、どの程度のK/π 比 が得られるか。　（ > 2 の達成が当面の目標。） • 　K1.1BR エリアで計画されている実験に対して十分なレート数のKaon が得られるか。

Planned Experiments

• E36 (LFU) “ Measurement of Γ(K+ →e+ν)/ Γ(K+ →µ+ν) and search for heavy sterile neutrinos” Stage-1, 30 kW •  E06 (TREK) “ Measurement of T-violating transverse muon polarization (PT) in K+→π0µ+ν decays “ Stage-1, 270 kW •  検出器等のテスト実験 •  将来的な、二つのESSを用いた、K1.1 ビームラインへの拡張の可能性。

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K1.1BR ビームライン

•  静止K実験のための低運動量分離ビーム、高いビーム強度。 •  K1.8 と共通の T1標的を使用。 •  IFY の導入により 単段ESS でも、高いK/π 比を実現可能。 •  ほぼachromaticに近いビームで、最終フォーカス点での分散が小さい。 •  IFY, IFX, MSの他、HFOCの導入により、πバックグラウンドを抑制。

K1.1BR の特徴

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[m]

[cm]

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IFY MS

HFOC

Vert

ical

H

oriz

onta

l IFX

2 8 14 20

0

10

20

10

20

Beam envelope

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ビーム検出器

Detector Specification Function

Hodoscope H 12 mm x 24 Beam profile measurement

MWPC1 MWPC2

2 mm wire pitch 1 mm wire pitch

Beam Tracking Beam profile in FF

Fitch Cherenkov 100 mm effective Dia. K/π identification

Beam defining Counter 50x50 mm Trigger

TOF1 TOF2

100x100 mm 700x220 mm K/π identification

Gas Cherenkov Air 1 atm Positron identification

Layout of beam Detectors

DAQシステムの詳細：25aGN-9 “ K1.1BRビームライン ビーム調整におけるデータ収集システム” 五十嵐　洋一 (素核研)

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フィッチタイプ微分型チェレンコフカウンター

期待されるK-ring 性能

期待されるπ-ring性能

•  チェレンコフ光の放出角度の違いを利用してK(屈折）, π（全反射）を分離。(微分型) •  ラジエータとしてアクリル、ミラーとしてアルミ蒸着を使用。 •  π-ring, K-ringともに14本ずつのPMTを使用。　 •  運動量740MeV/c から 800MeV/cで利用可能。

フィッチチェレンコフカウンター

シグナルのあるPMT数　分布

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ビーム調整  

1） D マグネットの調整。（D1 – D3） 2) TOFの調整とTOFを用いたフィッチチェレンコフカウンター調整。（K , π のID) 3) ガスチェレンコフの調整。（電子、陽電子の veto) 4) ESSに高電圧（± 150 kV以上）をかける。 5) セパレーションカーブ（K/pi 比の指標）を測定する。 6) Kaonの数が最大になるように、Q –マグネット を調整する。 7) 5) – 6)の操作を繰り返して、もっともパフォーマンスの良い（高いK/pi 比で、

Kaonの数が多い）ときのビームラインパラメータを決定する。 8) 最終フォーカス点（FF) におけるビームプロファイルを測定する。

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TOFスペクトルとフィッチチェレンコフのパフォーマンス

K-Ring におけるヒットPMT数分布 （Kaon候補）

K-Ring におけるヒットPMT数分布 （πの混入）

ビームのTOFスペクトル

右上(下）図はTOFスペクトルに基づいて、Kaon (π） のタイミングを選択したときのフィッチチェレンコフカウンターでヒットしたPMT数分布。

ESS: ± 150 kV

Kaon ID 効率 : > 95 % K-ringへのπの混入 : < 0.3 %

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ガスチェレンコフのパフォーマンス

ガスチェレンコフヒットを要求したときの TOFスペクトル（赤線）

σ　: 275 ps e 候補と π 候補の時間差　: 166 ps

ラジエータ : 1 atm 空気

ビーム由来の大きなバックグラウンドの存在（陽電子候補より大きなパルス波高）のため、正確な検出効率の評価は困難であったが、陽電子の混入は極わずかである。

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ビーム調整の結果  

~K/π 比の測定結果~

Kaon ピークにおけるK/π 比 : 1.14

ESS の電圧を±300 kVまであげたときのセパレーションカーブ

σx = 11 mm σy = 11 mm

~Final Focusにおける ビームプロファイルの測定結果~

ビームプロファイル＠Final Focus

K/π : 0.909

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~Kaon レートの測定結果~

1.  Conversion from BNL LESB3 ~ 83k @ 3.6 kW @ 3.3 m FF 2.  Estimate with Sanford-Wang formula 65k @ 3.6 kW @ 3.3 m FF

(＊)におけるKaon 数はStandard Vertical Slitにおいて Horizontal Slit設定を変えて求めたスケーリングファクター（×23）を使用した見積もり

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まとめ  

• 　2010年10月から11月にかけて J-PARC ハドロン実験施設における K1.1BR ビームラインのビーム調整を行なった。 • 　主に、kaon レート測定、FFにおけるビームプロファイル測定、K/π 比の測定を行なった。 • 　K/π 比に関しては目標としている > 2 には届いていないため、ESSのアップグレードが必要。（電圧をさらに上げる、長さを伸ばす等） • 　また、FF におけるビームプロファイルも期待通りのサイズであった。 • 　ビーム調整の結果として期待通りのKaon レート が得られた。

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２０１１年４月のビーム調整へむけて  

1.  Q-マグネット (特にESS前後のQ3-Q4/Q5-Q6)の 　　ファインチューニング 　　さらに高い Kaon レート と K/π 比が得られるか。 2. ワイドな水平方向スリット設定でのKaon レートの測定

TOF1の改良（高レート　~1 MHz に耐えられるようにする。） 新しい ホドスコープ の追加（水平方向のビームプロファイル測定)

3. ESS の電圧を上げる。（~ ± 375 kVまで？） 4.  ガスチェレンコフカウンタの ファインチューニング 陽電子の数も正確に測れるようにする。

5. BeO 減速材を用いた K+ 静止レート の測定 (?)

TOF2

Gas Cherenkov

MWPC2

TOF1

MWPC1

Fitch Cherenkov

BDC

Beam Hodoscope

K, π beam

BDC = Beam defining counter

New hodoscope

ビーム検出器のセットアップ