meg 実験 液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究
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MEG 実験 液体 キセノンカロリメータ におけるエネルギー分解能の追究. 東大 素粒子センター 金子大輔 他 MEG コラボレーション. Contents ・ MEG γ-ray detector ・ What limits E-resolution ? ・ Studied items ・ PMT Gain Stability ・ Photo-c athode effective size ・ Reflection on photo-cathode ・ S ummary. Liquid Xenon D etector. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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MEG 実験 液体キセノンカロリメータにおけるエネルギー分解能の追究
東大素粒子センター 金子大輔他 MEG コラボレーション
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Contents
・ MEG γ-ray detector・ What limits E-resolution ?・ Studied items ・ PMT Gain Stability ・ Photo-cathode effective size ・ Reflection on photo-cathode
・ Summary
2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 2
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Liquid Xenon Detector
・ 846 2” PMTs immersed in 165K Liquid xenon
・ Reconstruct incident γ-ray from collected VUV scintillation photons.
Performance (for signal γ)
Efficiency 62.8 %
Energy resolution (w>2) 1.7 %
Position resolution (uv, w) 5, 6 mm
Time resolution 67 ps
Energy resolution is worse than Monte-Carlo simulation.
at run2011, preliminary
γ
e+
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u
v
w
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002
001
How to Get Energy
000
846 PMTs
charge
…
softwarefiltering integration
waveformdigitizer
# of p.e.
u, v, w
p.e. 000
p.e. 001
…
p.e. 002
Σ of p.e.
weighted sumby PMT area
energysolid-angle correction
non-uniformity correction
Gain, QE
depth
waveform
face-factor correction
position factor
adjust absolute scale
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Calibrationruns
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What is problem ?Total collected photo-electron number is statistically enough.50000 photo-electron → 0.45% in σ
Actual resolution is 1.0% for Monte-Carlo, 1.7% for data.Result of large prototype test : 1.2%There must be un-understood event-by-event fluctuations !
σUP
MC DATA2011
Energy resolution mapping2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 5
response functionfit function
data
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Studied items
・ Systematic error of QE estimation・ Gain non-uniformity in a PMT
A: PMT Gain stability ○ gain instability effect to resolution.
B: Case of smaller PMT active area ○ if sensitive area were smaller, photon collection would fluctuate more
C: Reflection at PMT photo-cathode ○ Dependence of light collection efficiency on the relative position between PMT & conversion point could be enhanced
already known not to affect so much (reported in 2012 spring JPS meeting)
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A: Stability of PMT gain
この間 4 分PM
T c
harg
e
Charge from one PMT in LED event fluctuate about 3% in run.
That time, I checked only about 10 min of MEG run and only some PMTs.
I checked more precisely.For all PMTEvaluate statistical fluctuation.
In spring JPS meeting…
We are monitoring PMT gain in MEG physics run, by flashing PMT every a few second.
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Calculation of number of photoelectron
Calculate mean & σ of N p.e.by fitting with Gaussian.
Example PMT 000
Np.e.
Average Np.e. for all PMT
0
1000
2000
Average for all PMTs : 757.2
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Subtract normal statistical fluctuationassuming Np.e. is distributed in poisson distribution
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Result : A
Average gain fluctuation is0.78% in MEG run
Statistical error is about 0.2-3 % →
In other data0.70% in LED run (beam off),0.99% in CEX run (pion beam).
remainder gain fluctuation σadd
This fluctuation hardly worsen total energy resolution, because gain fluctuation is random for each PMT in a event.
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B: How PMT area affect ?
If PMT’s cathode were smaller than designed size, this fluctuation would become larger.
for example from・ cathode deterioration・ effect of B field・ etc.
It is already known that difference of relative position to PMT causes additional fluctuation in photon collection.
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Generated MC
d < (PMTsize) ?
dhit
Event generation : signal γ (52.8MeV)
u [cm]v [
cm]
used area
Range : center 18PMTnot to see non-uniformity ↓
Radius[cm] Area (ratio)
Case 0 2.25 100%
Case 1 2.15 91%
Case 2 2.00 79%
Data 2011 charge-exchangecalibration (55MeV γ)
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I studied the simple case PMT cathode is concentrically smaller.
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Result : B
Blue : normalGreen : 21.5mmRed : 20.0mmBlack : data
Resolution of real data is worse than MC, in all depth region.(0.6 ~ 0.8 % in σup)
It is hard to explain discrepancy between MC & data with PMT’s smaller cathode size, because no visible effect is seen.
2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 12
depth [cm]
E r
eso
luti
on :
σu
p [
%]
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C: Reflection on PMT cathode surface
Current MEG Monte-Carlo simulation only consider reflection on quartz window.↓introduce reflection on cathode surface
HIT
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solid :cathode refl. black: detectdashed :no cathode refl. red: reflect
green: absorb
liquid xenonnx 1.621 (@178nm)
quartz windownq 1.610 , Labs 21mm
photo-cathode(sensitive detector)Rnc 1.920 , Inc 1.690
2.5
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Result : C
Energy resolution become worsein all depth by 0.2 ~ 0.5%.This can’t explain all discrepancy between MC & data, but is not ignorable part if this is true.
Photon distribution got little closer to data. Parameters were not good ? ↓
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Blue : w/o reflectionGreen : + reflectionRed : MEG data
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SummaryI studied energy resolution of MEG γ-ray detector.
Following results were obtained,
・ PMT gain is stable enough in MEG data taking. ・ PMT cathode size does not affect resolution. ・ Reflection on cathode surface can cause a part of discrepancy between MC & data.
Prospects
2012/9/12 日本物理学会秋季大会 @ 京都産業大学 15
・ Understand mechanism how reflection affects resolution.・ Optimize optical parameters of PMT material.・ Seek another cause of E-resolution discrepancy.
・ Improve current energy analysis method.・ Use for upgraded detector.
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おわり
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オマケ
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Calculate mean & σ of Np.e.by fitting histogram.
Analyzed data
Black : MEG physics dataRed : Charge exchange calibration runBlue : LED gain calibration run
Example PMT 000
Np.e.
Average photo electronsMEG : 757.2CEX : 749.1LED : 759.5
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Fluctuation by Position
Left : LED nphe mean
Right Top : RMS (relative)Right Bottom : Subtracted Statistic
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B
high
lowor 0?
※ this is imaginary picture
B dependence of total gain come from position dependence of gain (collection efficiency) ?
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Photon collection (project to U direction)select event here
Notice
Data have lower peak & longer tail.
Cathode reflection is hidden due to small statistics?
From where can I cut summation for energy calculation?
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Introduction of photo-cathode reflection
Black: normal MCRed : cathode reflection
Average Nsum2normal : 3.365e5reflection : 2.387e5
No obvious difference except nearest 3 rows.
Is this affect to energyresolution? ↑checking…
44.51%
3.28% 0.37% -0.004%
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rati
o o
f photo
ele
ctro
n
Blue : normal MCGreen : data
Ratio of PMTs near to conversion point is smaller in data.
Difference in photon distribution between data & MC can be explained from this? →
PMT row