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
G.S.Adkins(2000)
• 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
term
correction(ppm)
tree level
A (α/π)
0.0
-23893.9
B α2ln(1/α)
-87.3
C (α/π)2
240.2
– 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
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)
e+線源
– Pick-off (λ(t))
ターゲット
(シリカ)
o-Ps生成
Δt
o-Ps
物質(ターゲット)
– 観測される崩壊率
γ
γ
γ
γ
γ
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
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)
セットアップI 線源周り
• 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
½インチPMT
1インチPMT
• 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
ライトガイド
プラシン
(200μm)
• シリカエアロジェル
– 0.03g/cm3
– 前回はシリカパウダー
プラシン
(1mm)
• 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
68Ge
105mm
e+
シリカエアロジェル
65mm
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
400ps @511keV
• 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
今回使用したYAPの結晶
50mm×50mm×33mm
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
Walk
エネルギー
• 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
cut
立ち上がり時間
解析II 3γのnormalization
Energy spectrum
Ge time spectrum
prompt
2γ(511keV)
data
decay curve
accidental
3γ
• 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
simulation
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
解析IV time spectrum fitting
YAP time spectrum
Fitting 関数
prompt
3γ decay curve
Free parameter: λ3γ,N0,C
accidental
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)
電場の弱い部分で
SRTが発生
– 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
cut
立ち上がり時間(50-150keV)
(エネルギー依存性、位置(電場の強弱)依存性)
G4(補正)
• Response function
– 電荷収集のもれ(特にSRT成分)やpile up
電荷収集のもれ
– 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
G4
511keV peak
pile up
Life timeと今後の計画
• fitting start time依存性は
比較的少ない
熱化過程の補正
Preliminary(系統誤差含まず)
エアロジェルのラン(約2ヶ月)
O(α2)計算値
• systematicなずれ
 systematic errorを中心に
現在調査中
統計エラー 150ppm
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
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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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