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1. 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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2. 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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3. 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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4. 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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5. 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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6. Belle II 実験ARICH 検出器アップグレードのための 信号読み出し集積回路の開発 / Masato Tsurufuji ; Hidekazu Kakuno [BELLE2-MTHESIS-2021-025] Presented on 26 01 2021 MSc
2021
Tokyo Metropolitan University / Hachioji
現在の素粒子物理学において,標準模型はニュートリノの振動現象を除いてこれまでに観測され たあらゆる素粒子実験の結果を矛盾なく説明する強力な理論である。しかしながら標準模型には重 力が含まれておらず、また階層性の問題や、暗黒物質の候補となる粒子が存在しない、などといっ た不十分な側面がある。 Belle II 実験は、茨城県つくば市の高エネルギー加速器研究機構(KEK)で行われている、標準 模型を超える新物理を探索することを目的としたB ファクトリー実験である。KEK 構内に設置さ れている電子・陽電子衝突型加速器SuperKEKB により、電子7 GeV と陽電子4 GeV を衝突さ せることでB 中間子対を大量に生成し、その崩壊過程に含まれるごく稀な事象を観測することで 新しい物理現象を見つけようとしている。 同実験における測定器であるBelle II 測定器は、電子・陽電子ビームの衝突点に設置され、役割 によって最適な動作原理を持った7 つの装置を組合わせた複合型検出器である。Belle II 測定器で 測定するのは崩壊により生成された安定粒子であり、主に電子、μ 粒子、π 粒子、K 粒子、陽子と いった荷電粒子を識別できる。 Belle II 測定器に搭載されている検出器の一つであるAerogel Ring Imaging Cherenkov counter (ARICH)は、Belle II 測定器の前方エンドキャップ部において、主に荷電π/K 中間子の粒子識 別という役割を担っている。ARICH は輻射体シリカエアロゲルと光検出器Hybrid Avalanche Photo Detector (HAPD) の2 層構造で、荷電粒子がシリカエアロゲル内を通過する際に円錐状に 発生するチェレンコフ光を、HAPD で2 次元のリングイメージとして観測し、その測定したリン グの半径から放射角を導出することで荷電π/K 中間子の識別が可能となる。現在、このARICH はアップグレードが計画されており、HAPD に代わる新たな光検出器としてMPPC(Multi-Pixel Photon Counter)の使用が検討されている。それに伴い、光検出器からの信号を読み出す回路に ついても新たなシステムの開発が必要となった。 本研究では、新たにARICH のためのMPPC 用信号読み出しASIC のプロトタイプである TF01A64 を開発した。TF01A64 はMPPC64 チャンネルの信号読み出しが可能で、基本回路構成 として増幅器-波形整形器-増幅器-オフセット調整回路-比較器を持つ。開発においてはT-Spice と 呼ばれる回路シミュレーターを用いて、回路特性や回路雑音の評価、高レート下における応答能力 の見積もりなどを行った。また、本研究ではこのTF01A64 チップの性能評価のためのテストボー ドを作成し、TF01A64 回路の機能として搭載されているテストパルスを用いた動作確認を行った。 この確認により、各種パラメーターの設定、増幅率調整やオフセット調整などについての正常な動 作を確かめることができた。
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7. Approved plots : Study of $B \to K^{\ast} \gamma$ decays in at Phase III / Masanobu Yonenaga ; Hidekazu Kakuno ; Akimasa Ishikawa [BELLE2-NOTE-PL-2019-021]
02 August 2019

Approved plots for Study of $B \to K^{\ast} \gamma$ decays in at Phase III (BELLE2-NOTE-PH-2019-030)
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