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199. Belle II 実験Aerogel RICH 用 読み出し回路の動作および量産試験 / Tetsuya Kobayashi [BELLE2-MTHESIS-2021-036] Presented on 17 03 2016 MSc
2016 Niigata University / Niigata
素粒子物理学は物質を構成する基本粒子とその間に作用する力を研究対象とする物理学の一分野 である。標準模型の詳細な検証や、標準模型を超える新物理探索を目的として世界各地でさまざま な実験が行われている。その中でBelle 実験は1999 年～2010 年に茨城県つくば市にあるKEK(高 エネルギー加速器研究機構) において行われた電子・陽電子非対称衝突型加速器実験である。 円形加速器KEKB によってB 中間子を大量に生成し、Belle 検出器を用いてその崩壊過程を精 密に測定することでCP 対称性の破れの検証を始め素粒子物理学における数多くの実験成果を上げ た。特にB 中間子系におけるCP 対称性の破れの観測は小林・益川理論を実験的に立証し、2008 年ノーベル物理学賞受賞への貢献を果たした。また、新粒子が寄与するようなB 中間子稀崩壊過 程の研究なども行われたが、Belle 実験で得られた統計量では標準模型を超える物理事象の発見ま では至らず、いくつかの兆候を得るにとどまった。そこでより精密な測定を十分な統計量を用い て行うためにBelle 実験の後継実験としてBelle II 実験が計画された。 Belle II 実験ではKEKB加速器からSuperKEKB 加速器への高性能化と、Belle 検出器からBelle II 検出器への改良を行う。加速器アップグレードにより従来の40 倍となるピークルミノシティを 実現し、最終的にはBelle 実験の約50 倍となる積分ルミノシティで標準模型を超えた新物理事象 の探索を行う。2017 年実験開始に向けて加速器及び検出器のアップグレードが進行している。 Belle II 検出器はさまざまな目的や役割をもつ検出器から構成された複合型検出器である。Aerogel Ring Imaging Cherenkov 検出器(A-RICH) はEndcap と呼ばれる領域での粒子識別を行う検出器 であり、Belle II 実験から新たに導入される。A-RICH ではB 中間子崩壊過程再構成において重 要な荷電K 中間子と 中間子を識別する役割を担い、Belle 実験では達成できなかった単一検出 器による広い運動量領域0:5 GeV=c < p < 4:0 GeV=c での高いK= 識別能力を目指す。その目標 を限られた検出器スペースで実現するため、リングイメージ型Cherenkov 光検出器を採用した。 A-RICH はCherenkov 光の輻射体であるシリカエアロゲルと144 チャンネルピクセル型光検出器 Hybrid Avalanche Photo Detector (HAPD)、および専用の読み出し回路システムによって構成さ れる。 識別原理は、まず荷電粒子がエアロゲルを通過した際に放射状に発生するCherenkov 光をHAPD によりリングイメージとして検出する。リング半径は粒子質量に相関があるためその半径差から 種類を判断できる。HAPD は420 台使用されるため、検出器全体の信号読み出しチャンネル数は 合計6 万チャンネルに及ぶ。そのため、読み出しシステムには多チャンネルの同時読み出しが可 能で、また微弱なCherenkov 光の信号をもれなく捉えられるようにチャンネル毎の単光子検出を 実現する低雑音、高利得の信号処理回路が求められる。さらに読み出しシステムに与えられた設 置領域はわずか50 mm であり、回路のサイズをコンパクトに抑えなければならない。それらの要 求を満たすためにA-RICH グループではFront-end board (FE board) とMerger board の2 種類 の読み出し回路を独自に開発した。 FE board はHAPD 1 台に対して1 台が接続され、集積回路であるApplication Specic Inte- grated Circuit (ASIC) とField-Programmable Gate Array (FPGA) を搭載している。ASIC はア ナログ信号処理及び、ヒットデータの生成を行う。FPGA はASIC の制御と後段の読み出し回路 へデータを転送する役割を担う。Merger board には6 台のFE board が接続され、ヒットデータ の収集・圧縮とBelle II データ収集システムへの転送を行う。また、データ読み出しに必要なトリ ガー・クロック信号の供給や接続されたFE board のコントロールなどの役割を担う。これら2 種 類の読み出し回路は最終的な仕様が決定し、実機に使用されるFE board 420 台、Merger board 72 台の量産および性能評価が行われる。
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200. Belle II 実験用粒子識別装置Aerogel RICH におけるCherenkov 放射角分布のバックグラウンド解析 / Ryusuke Kataura [BELLE2-MTHESIS-2021-035] Presented on 30 03 2016 MSc
2016 Niigata University / Niigata
1999 年から2010 年の間に茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構(KEK) で行われてい たBelle 実験は電子・陽電子非対称エネルギー衝突型加速器実験である。本実験はKEKB 加速器 を用いて大量のB 中間子を生成し、その崩壊過程をBelle 検出器によって観測することで標準理 論の精密測定を行った。この測定により、小林・益川模型の証明に成功し、また新たなハドロン 共鳴状態の発見など数々の成果を上げられた。一方で、未新物理の寄与を示す標準理論からのず れは有意な信号で観測されておらず、さらなる検証のためにはデータ統計量を増やす必要がある。 そこでKEKB 加速器をSuperKEKB 加速器、Belle 検出器をBelle II 検出器へアップグレード し、標準理論を超える新物理の探索を行うBelle II 実験が、2018 年開始に向け準備が進められて いる。 Belle II 検出器は複数の副検出器から構成されており、そのうち荷電粒子の識別を行うものとし て我々はAerogel RICH (ARICH) の開発を行っている。Belle 検出器で同様の役割を担っていた Aerogel Cherenkov Counter は空間的制約のため2.0 GeV/c までの低運動量領域しか識別が行え なかった。検出器を高度化するにあたり、これまで識別できていなかった高運動量領域でも粒子 識別可能な検出器としてARICH を開発するに至った。 ARICH は荷電粒子が輻射体を通過することで放射されるCherenkov 光を光検出器によりリン グイメージとして観測し、ドリフトチェンバー等の他の検出器から得られる飛跡情報を併せて、粒 子質量に相関のあるCherenkov 放射角を算出し粒子識別を行う。ARICH の主な構成要素として、 輻射体であるシリカエアロゲル、半導体光検出器Hybrid Avalanche Photo-Detector (HAPD)、 HAPD 専用読み出しシステムがある。HAPD は5mm程度の位置分解能をもち、1 光子検出が可能 である特徴をもつ。これらを用いてARICH では主に荷電K= 中間子の識別を行い、0:5 GeV/c から4.0 GeV/c の運動量領域に対して有意度4 以上の識別精度を目標としている。 ARICH に使用する各構成要素はほぼ開発が終了しており、2013 年5 月にドイツにあるDESY 研究所のテストビームラインT24 にてプロトタイプARICH を用いた電子ビーム照射試験による 性能評価のためのビームテストを実施した。このセットアップに対して5 GeV/c の電子ビームを 照射し、再構成により得られたCherenkov 放射角分布から粒子識別能力を算出すると、目標であ る有意度4 以上の識別能力があることを確認した。 一方でビームテストにより得られたCherenkov 放射角分布にはバックグラウンド事象が含まれ ていた。バックグラウンド事象の一部は先行研究により調査されており発生原因も予測されてい るが、その分布について正確な理解はされていない。バックグラウンドの正確な理解は識別能力 向上に繋がると期待されるため、本研究では2013 年に行われたビーム照射試験をMonte Carlo シミュレーションで再現し、測定データと比較することでCherenkov 放射角のバックグラウンド 事象の検証を行った。 本論文ではCherenkov 放射角分布におけるバックグラウンド事象の検証結果と、特定された バックグラウンド事象について粒子識別尤度計算に用いる確率密度関数を報告する。
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201. Belle II 実験ARICH 用光検出器のためのモニターシステムの開発 / Koki Hataya [BELLE2-MTHESIS-2021-034] Presented on 10 01 2017 MSc
2017 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
Belle II 実験は茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK) にて建設中である電 子・陽電子衝突型加速器SuperKEKB を用いた大規模素粒子実験で2018 年開始予定である。現 在までに理解されている標準理論を超えた物理で予言される新粒子を直接生成してその性質を調 べるエネルギーフロンティア実験に対し、Belle II 実験はB 中間子などの稀崩壊を大量に観測す ることにより間接的に新物理を探索するルミノシティフロンティア実験と呼ばれ、ここでは新物 理の寄与は標準模型との「差異」として現れると考えられる。前身のBelle 実験では新物理探索 に不十分であった稀崩壊事象の統計量をBelle II 実験では50 倍の統計量と共に測定器の精度向 上によって、この「差異」を観測することを主な目的としている。 Belle II 実験の種測定器であるBelle II 測定器は各役割に応じた複数の副検出器から成る汎用 測定器であり、その中でEndcap 部と呼ばれる領域での粒子識別(主に荷電K 中間子と荷電 中 間子) を担う装置がAerogel Ring Imaging Cherenkov 検出器(ARICH) である。前身のBelle 測定器では粒子識別装置として閾値型Cherenkov 検出器であるAerogel Cherenkov Counter (ACC) が搭載されたが、Endcap 部におけるACC では3 分離性能での粒子識別可能な運動量 の上限が2 GeV=c までであったのに対し、ARICH では4 以上での粒子識別を3:5 GeV=c まで 拡張することを目標として開発している。ARICH は輻射体であるシリカエアロゲル、光検出器 としてマルチアノード型HAPD (Hybrid Avalanche Photo Detector)、その信号読み出し用電 子回路で構成される。Cherenkov 光の放射角が粒子の種類(質量) とその運動量、輻射体屈折率 から決定できることを利用して粒子識別を行い、荷電粒子がシリカエアロゲルを通過した際に円 錐状に放射されるCherenkov 光を多数のHAPD で２次元リングイメージとして観測することで Cherenkov 光の放射角を測定する。 ARICH では144-ch マルチアノード型HAPD を420 台使用するため、総チャンネル数は約6 万チャンネルに上る。全チャンネルの応答の有無や検出効率などの動作状態はリングイメージの 観測精度に深く影響するため、ARICH の性能を維持する上で全チャンネルの定期的な動作確認が 不可欠となる。そこでLED 光をシリカエアロゲルによって乱反射させてHAPD に照射し、その 応答を定期的に調べることでHAPD のモニタリングを行なうシステムの開発を行なった。 本研究では、まずモニターシステムの試作機を構築しHAPD 全チャンネルの生死判定、ノイ ズレベル、増幅率といった基本性能を長期的に監視可能であることを示した。また、建設中の ARICH 実機の一部にモニターシステムを実装し、組み上げたシステムの健全性の確認と各種設 定値の調整を行なった。本論文では、主題であるモニターシステム試作機での動作検証と実機を 用いた性能評価について述べると共に、2016 年夏より開始した宇宙線を用いたARICH 本体の性 能評価試験についても記述する。
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202. Belle II 実験Aerogel RICH 検出器のための光検出器制御システムの開発 / Masanobu Yonenaga [BELLE2-MTHESIS-2021-033] Presented on 10 01 2017 MSc
2017 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
高エネルギー加速器研究機構で行われるBelle II 実験は、前身のBelle 実験に比べ50 倍もの積分 ルミノシティでの大統計を用いて標準模型を超える新物理現象の探索を行う実験である。Belle II 検 出器は7 つの検出器から成り、Aerogel RICH(Ring Imaging CHerenkov、ARICH) 検出器はBelle II 実験において、エンドキャップ部における荷電=K 中間子の識別を担う。ARICH 検出器は輻射 体であるエアロゲルと光検出器HAPD(Hybrid Avalanche Photo Detector) の2 層構造になってお り、荷電粒子が輻射体を通過する際に円錐状に発生するチェレンコフ光を後段のHAPD で2 次元の リングイメージとして観測し、その放射角を再構成することで粒子の識別を行う。本研究では専用の 電源管理システム及びデータ読み出し系の制御システムの開発を行った。 HAPD 1 台の動作には光電子加速用電圧(-8500 V)、APD 逆バイアス電圧( 350 V 4)、ガー ド電極(175 V) の3 種類計6 系統の異なる電圧供給が必要であり、ARICH 検出器に使用する420 台のHAPD に電圧供給を行う専用の電源装置が必要となる。またHAPD から出力される信号を処 理し、チェレンコフ光のヒットパターンを検出するための専用の読み出し回路の開発が行われ、それ らはBelle II 実験データ収集フレームワークであるBelle2Link を用いて制御される。多数のHAPD を使用するため、電源及び読み出し回路も多数の装置から成っておりその管理は極めて複雑であり、 制御ソフトウェアを含むこれらの管理システムの開発はARICH 検出器の安定した運転ひいては物 理データの品質維持における最重要課題となる。本研究で開発した制御システムは2016 年夏から ARICH 検出器建設時に行われた宇宙線を用いた性能試験ですでに使用されており、その実用性を確 認することに成功した。 一方で宇宙線による荷電粒子のリングイメージ検出試験は物理実験に使用するARICH 検出器実 機を用いて初めて荷電粒子の観測を行ったものであり、検出器の特性を実験開始に先立ち理解するた め極めて重要な試験と言える。本研究では収集したデータのデータフォーマットやデッドチャンネル の有無の確認から宇宙線荷電粒子によるリングイメージの検出など検出器の動作検証を行った。 本論文では高圧電源装置の性能評価試験の結果と高圧電源及びデータ読み出し制御システムの開発 について解説し、宇宙線を用いたARICH 検出器の性能評価試験と物理測定開始に向けた展望を述 べる。
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203. Etude du bruit de fond induit par les nano-faisceaux du collisionneur SuperKEKB et préparation de l’analyse de physique de l’expérience Belle II / Daniel Cuesta ; Isabelle Ripp-Baudot [BELLE2-PTHESIS-2021-010] Presented on 23 09 2019 PhD
2019 IPHC / Strasbourg
The Belle II experiment aims to discover new physics processes not described by the standard model of particle physics, based on measurements of unprecedented precision with B and D mesons, and τ leptons. [...]
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204. Belle II 実験ARICH検出器用モニターシステムの実装 / Kota Noguchi ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-MTHESIS-2021-032] Presented on 10 01 2018 MSc
2018 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
高エネルギー加速器研究機構では現在Belle II 実験の準備を進めている。Belle II 実験はSu- perKEKB 加速器によって電子・陽電子を加速、衝突させB 中間子対を大量に生成するルミノ シティフロンティア実験であり、1999 年から2010 年まで行われ、小林・益川模型を証明した Belle 実験のアップグレードである。Belle 実験の50 倍の統計量を集め、その崩壊過程から稀 事象を観測することにより、新物理を探索することを目的とする。 Belle II 実験では新たにBelle II 測定器を製作し、B 中間子の崩壊を精密に測定する。Belle II 測定器は各役割を持つ複数の検出器から成る。その中でEndcap 部と呼ばれる領域では、 Aerogel-RICH(Ring Imaging Cherenkov) 検出器が荷電K= の粒子識別の役割を担う。輻射 体(シリカエアロゲル) を荷電粒子が通過した際に発生するCherenkov 光を後段の光検出器 HAPD(Hybrid Avalanche Photo detector) で二次元的にリングイメージとして検出するもの である。HAPD は光子が入射した時、光電面にて光電子を発生させる。それを印加電場で加 速させることでO(103) 程度の増幅を行う。加速された電子はAPD に入射し、Avalanche 増幅 によりO(10) 程度の増幅を行い、合計O(104) の増幅率で電荷が増幅される。さらに読み出し ASIC で増幅、波形整形および波高選別されて最終的にヒット情報として検出される。 ARICH では一台で144ch を持つHAPD を420 台使用するため、チャンネルの合計数は6 万 以上になる。HAPD の動作はARICH の性能に影響するため、全チャンネルの動作確認を行う モニターシステムが必要不可欠である。ARICH モニターシステムではLED からのパルス光を 光ファイバーによってARICH 内部に照射してシリカエアロゲルで反射させ、その光をHAPD が正常に検出することを確認することによって定期的にHAPD の動作確認を行う。Belle II 実 験開始時期には組み上げたシステムの健全性の確認、安定期には故障チャンネル情報及び各 チャンネルの出力変化時のキャリブレーションのために使用する。 本研究ではARICH 検出器のモニターシステムの実装、各構成要素の調整、動作試験を行っ た。モニターシステムによるLED 光はチェレンコフ光に代わる光源となるため、モニターシ ステムの動作試験であると同時にARICH 検出器の動作試験となる。本論文ではモニターシス テムの実装と、試験運用について報告する。
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205. Belle II実験Phase IIランにおけるARICH検出器のアライメントおよびB -> Kpi崩壊の探索 / Sachi Tamechika ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-MTHESIS-2021-031] Presented on 10 01 2019 MSc
2019 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
Belle II 実験は、茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構(KEK) で稼働し始めた SuperKEKB 加速器を用いて7GeV に加速した電子と4GeV に加速した陽電子の衝突によりB 中間 子対を大量に生成し、崩壊過程をBelle II 検出器を用いて詳細に調べるルミノシティフロンティア実 験である。B 中間子の崩壊過程に含まれるごく稀な事象を精密に調べることで、標準模型を超える新 しい物理を探索することを目的としている。 先行研究であるBelle 実験ではB 中間子と反B 中間子のCP 対称性の破れを発見し、2008 年の 小林・益川両氏のノーベル物理学賞受賞に貢献した。2010 年6 月にSuperKEKB 加速器への加速器 のアップグレードとBelle II 実験に向けた測定器の研究開発が始まった。SuperKEKB 加速器は衝突 点におけるビームサイズを1 20 に絞り込み、蓄積ビーム電流を2 倍に高めることでビーム衝突性能を KEKB 加速器の40 倍に増やすことを目指す。加速器の改造にともない、測定器もより高いビーム強 度に対応するため一新した。Belle 実験で蓄積されたデータの50 倍のデータを収集・解析することに より、B 中間子やタウレプトンなどの標準模型では説明できない極めて稀な崩壊事象や対称性の破れ を実験的証拠として積み上げ、宇宙初期の極めて高いエネルギーで成り立つ新しい物理法則を探索す る。2018 年4 月から7 月までにBelle II 実験ではコミッショニングの第二段階(Phase II) として初 のビーム衝突によるデータ収集を行った。 Belle II 検出器は複数の検出器から構成される。そのうちの一つであるAerogel Ring Imaging CHerenkov 検出器(ARICH) は、荷電K 中間子と荷電 中間子の粒子識別を担う。ARICH はシリ カエアロゲル輻射体と光検出器Hybrid Avalanche Photo-Detector (HAPD) からなり、荷電粒子がシ リカエアロゲルを通過する際に放射するチェレンコフ光をリングイメージとしてHAPD で観測する。 このチェレンコフ光のリングイメージの半径の違いから粒子質量を求めることで、粒子識別を行う。 ARICH 検出器が期待通りの粒子識別性能を発揮するためにアライメントを行う必要がある。本 研究では、ARICH 検出器の設置位置のずれを測定および補正するため、モンテカルロシミュレーショ ンにおいて飛跡検出器に対するARICH 検出器のずれを模擬し、アライメント手法を開発した。また 実際の衝突のデータを用いて本研究で開発した手法によりARICH 検出器のアライメントを行った。 その結果、約1mm の並進および約0.1 °の回転があることを特定した。さらにアライメントを行うこ とでチェレンコフ角分布の幅が約7% 向上した。これはK= 分離能力の約7% の向上に対応する。 Belle II 実験の物理モードの一つであるB ! K はクォークレベルではb ! s 過程で表され る。この崩壊過程はフレーバーを変える中性カレント過程であり、ループを介してのみ発生する。こ のようなループを介した崩壊過程においては、質量の大きな仮想粒子の寄与が大きく新物理に敏感で ある。 本研究では、Belle II 実験におけるB ! K 事象の再発見を目指して、B+ ! K+ ! K+0 、 B0 ! K0 ! K+􀀀 、B+ ! K+ ! Ks+ の3 つの崩壊モードの解析を行った。モンテカルロ シミュレーションを用いて事象選択条件の最適化、及び事象数の見積もりを行った。その事象選択条件 を用いて、Belle II 実験の初のビーム衝突データの解析を行った。その結果、B0 ! K0 ! K+􀀀 で4 つの信号事象候補、B+ ! K+ ! K+0 で1 つの信号事象候補を観測し、崩壊分岐比をそれ ぞれBF(B0 ! K0 ) = (2:3 2:2 0:3) 10􀀀5、BF(B+ ! K+ ) = (4:1 6:7 2:0) 10􀀀5 と 見積もった。この値は、これまでのB ファクトリー実験による世界平均と矛盾がない値である。 2
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206. Belle II 実験ARICH 検出器の光反射ミラー部における粒子識別性能の評価 / Shiori Kakimoto ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-MTHESIS-2021-030] Presented on 10 01 2019 MSc
2019 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
茨城県つくば市にある高エネルギー加速器研究機構ではBelle II 実験が今年4 月から行われている。Belle II 実験はSuperKEKB 加速器を用いて電子・陽電子を加速し衝突させ、大量のB 中間子を生成するルミノシティーフロンティア実験である。B 中間子の崩壊過程を精密に測定することにより標準模型からのズレを観測し、新物理の探索を目的としている。前身のBelle 実験ではB 中間子の稀崩壊を測定するにはデータ量が不足していたので、本実験ではルミノシティを約50 倍に増やし統計量・精度を向上させる。Belle II 検出器は各役割に応じた複数の検出器からなる複合型測定器であり、その中でもEndcap 部にあるARICH(Ring Imaging CHerenkov) 検出器は荷電K/π中間子の識別の役割を担う。ARICH 検出器は輻射体であるシリカエアロゲルと光検出器HAPD（Hybrid Avalanche Photo detector）の2 層構造になっている。荷電粒子が輻射体を通過する際に円錐状に発生するチェレンコフ光を光検出器HAPD で2 次元リングイメージとして検出し、そのリングイメージを再構成することにより粒子識別を行う。ARICH 検出器では、ARICH 検出器の外周を覆うようにミラー（ガラス素材の反射板）が取り付けられている。トラックがARICH 検出器の外側の端に入射した際、円錐状に放出されたチェレンコフ光の一部がARICH 検出器の外側に抜けてしまうためにリングイメージ全体をとらえることができなくなってしまう。そこでミラーを設置することによりARICH の端にきた光子を反射させ、リングイメージの全体をつかむことができる。本研究ではミラーがある場合とない場合を比較してどの程度識別効率に差がでるのかを検証し、さらにミラー設置精度（R 方向に5mm 移動させた場合）についての識別効率の関係についても確認した。ミラーが正しい位置にある場合と比べK 中間子の識別効率はどちらとも誤差の範囲内だったが、π中間子の識別効率についてミラーがない場合は約6 ％、設置精度が悪い場合は約4 ％ほど低下した。そのためミラーはARICH検出器に必要であり、またミラー位置のずれの測定と補正を行う必要があることがわかった。さらに本研究ではミラーが本来の位置からずれた際にチェレンコフ角分布にどのような変化があるのかシミュレーションを行うことにより確認した。シミュレーションの結果をもとに4 月から7 月に行われた試運転（phase2）でのデータを解析した結果、ミラーの位置が本来の位置からずれていることがわかった。さらにその位置のずれを考慮してリングイメージを再構成したところ、光速c と荷電粒子の速度v の比(c/v) として計算したチェレンコフ角ピークが0.998 から0.999 となり予想値の１に近づき、さらにチェレンコフ角ピークの角度分解能についても4 ％減少し改善された。
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207. Particle Identification using the Aerogel RICH Counter at the Belle II Experiment / Masanobu Yonenaga ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-PTHESIS-2021-009] Presented on 02 09 2020 PhD
2020 Tokyo Metropolitan University / Tokyo
We evaluated the particle identification performance of ARICH using D∗→D0(→Kπ)π decays with early beam collision data which correspond to an integrated luminosity of 5.15 ab−1. [...]
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208. Particle Identification using the Aerogel RICH Counter at the Belle II Experiment / Masanobu Yonenaga ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-PTHESIS-2021-008] Presented on 31 08 2020 PhD
2020 Tokyo Metropolitan University / Hachioji
The Standard Model (SM) has been completed by observing the Higgs boson which is a last particle expected by the SM in 2012. [...]
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