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

日本物理学会 第 61 回年次大会 　愛媛大学、松山大学 2006.3.27

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

• 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– 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

term correction(ppm)

tree level 0.0

A (α/π) -23893.9

B α2ln(1/α) -87.3

C (α/π)2 240.2

G.S.Adkins(2000)

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 ）

– Pick-off （ λ(t) ）

– 観測される崩壊率

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 . ３ γ 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

e+線源

ターゲット（シリカ）o-Ps生成

γ

γγ

Δt

o-Ps 物質 (ターゲット )γ

γ

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 170pp

m

• 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

Ge 検出器 ( 同軸型 ) 　 3 台（ pick off rate 測定用）

YAP シンチレータ　 4 台（ o-Ps 寿命測定用）

真空容器　線源　トリガー用プラシン　シリカエアロジェル

統計 10 倍化

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

• 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

• シリカエアロジェル– 0.03g/cm3

– 前回はシリカパウダー

• 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

シリカエアロジェル

ライトガイド

½インチ PMT

68Ge

e+

65mm

プラシン(1mm)

プラシン(200μm)

105mm

1インチ PMT

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

• 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

400ps @511keV

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

• 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

エネルギー

立ち上がり時間

Walk

Walk

cut

解析 II 3γ の normalization

• 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

Ge time spectrum

simulation

data

3γ

2γ(511keV)

Energy spectrum

decay curve

prompt

accidental

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

Free parameter: λ3γ,N0,C

3γ decay curve

prompt

accidental

Fitting 関数

Systematic errorSimulation(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 )– 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　　　　 ( エネルギー依存性、位置 ( 電場の強弱 )依存性 )

• Response function– 電荷収集のもれ（特に SRT 成分）や pile up– 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

G4

G4( 補正 )

pile up電荷収集のもれ

511keV peak

現在、スタディ中

cut

立ち上がり時間 (50-150keV)

電場の弱い部分でSRT が発生

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

• systematic なずれ systematic error を中心に　　　現在調査中

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 system

atic エラーを抑える

エアロジェルのラン ( 約 2ヶ月 )

O(α2) 計算値

統計エラー 150ppm

Preliminary( 系統誤差含まず )

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