Development of Liquid Ar TPC @ KEK

Takuya Hasegawa, Takashi Kobayashi, Takasumi Maruyama, Koichiro Nishikawa, Masashi Tanaka

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Next Generation and Nucleon Decay Physics

CP violation in →e oscillation. beyond 13

Larger far detector will be needed 0 reduction will become more important

Proton decay: p→K+

SUSY models predict large branching fraction Charged Kaon identification is important

Liquid Argon TPC is an excellent detector for these particular physics modes 100 kt LAr detector has comparable sensitivity to 500 kt

water cherenkov detector

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Liquid Argon TPC

Ionization Electron 105 e / MeV Slow drift: m/ms@ kV/cm Small diffusion: 3 mm after 20 m

drift Drift electron lifetime: O2,H2O con

tamination No amplification in liquid

Ionization Electron

Scintillation Light

Cherenkov Light

Charged Particles

E

νμ 　 Charged　current

νe 　 Charged　current A. Bueno, et.al.,, hep-ph/0701101

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Large Size Detector

R&D items ：Ionization electron readout device/electronicsLarge vessel 、 Argon purification 、 cryostat 、 HVAnalysis technique etc...

LArE-fi

eld

E≈ 1 kV/cm

E ≈ 3 kV/cm

GAr

80 m

20 m

Recover attenuation after long drift →double phase readout

λ=0.5m/ppb

Liquid Argon1 kV/cm

GAS Argon

5kV/cm

GEM

REadout

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KEK R&D Status

Last summer, KEK neutrino group has started R&D effort of the liquid Argon TPC Still under establishing basic techniques Helps from KEK

cryogenic/accelerator division Detector Technology Project ( 測定器開発室 ) Liquid Xenon R&D group

Collaborating with LAr R&D project at ETHZ Built small test stand to study;

Readout device and electronics Liquid Argon purity

Short term goal Establish double phase TPC

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KEK Test Stand

Refer ’85 C. Rubbia’s paper 20cmx25cm test chamber insid

e an open bath of LAr Liquefy Gas Argon inside test ch

amber

Purify Gas Argon Commercially available filter Oxygen (cupper reductant) Water (molecular sieve) Specification: <10 ppb

Gas A

rVacuum pump

Liquid Ar

HydrosorbOxysorb

Test Chamber

Open bath

NIM A241 (1985), 62

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Test Chamber

Test chamber: CF253 flange

Port: signal/HV/Gas input/Vacuum

Open bath

30cmx45cm

vacuum vessel

super insulator

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Ion chamber

Simple ion chamber 10cmx10cm Cu plates 5 cm distance -2 kV HV (cathode)

Trigger counter select events pass through

the detector Oscilloscope readout

no amplification 1 M coupling readout ~ 400 s (>>

drift time ~50 s) Observed signal

Blue: Trigger signal Yellow: Anode signal

Took data for ~20 hors ~650 trigger events

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Signal Charge

Integrate the oscilloscope waveform to estimate signal charge Integration cutoff 200—600 s 40% pedestal event (trigger

coverage is larger than the detector)

Divide data into 4 time periods No major degradation ~ 50 – 100 hours

200 s

400 s

600 s

w/o pedestal

with pedestal

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Drift Electron Attenuation Signal charge is sensitive to the drif

t electron attenuation Simple toy MC to estimate the signa

l charge for different attenuation length, then compare with the data

Signal charge distribution Cosmic data (red) MC prediction (black)

Data and MC shows the best agreement with no attenuation

This analysis is an estimation of absolute signal yield large systematic uncertainty (~5

0%) >5 cm (10 ppb) after considerin

g the systematics

5 cm

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R&D Strategy at KEK Test Stand

purification and liquefaction

Observe Cosmic muon(simple ion chamber)

Establish 1 phase TPC

Establish double phase TPC

2D wire chamber

Purity monitor

GEM basic properties

TPC readoutelectronics

Strip/Pad readout

Extraction Grid

completed

ongoing

major milestone

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Summary

As a candidate of next generation neutrino/nucleon decay detector, KEK neutrino group is interested in Liquid Argon TPC.

We have built a 10L test chamber Successfully observed cosmic muons Took data for ~20 hours without major degradation of the

signal Comparison of the signal charge between data and MC pr

ediction shows we have already obtained good liquid Argon purity (<10 ppb)

Short term plan Establish double phase TPC with 10L chamber

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Backup

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液化能力テスト まずは、安価な窒素を用いて液化能

力の検証を行った。 テスト容器を液体窒素で満たした浴

槽に固定する 気体窒素をテスト容器内に送り込む

容器内の圧力は 1.4気圧程度 容器内に挿入した液面計で液化速度

を測定。 使用した気体量から液体量を推測す

ることも可能。 1時間当たりに

4 cm、 1.3L　の液体を生成 20 kgf/cm2、 1m3の気体を使用

当面の実験には十分な液化速度が得られた

液化速度を改善する方法 液化時の容器内圧力を上げる 浴槽中の液体とテスト容器の熱交換の効率を上げる

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真空テスト 油回転ポンプ＋ターボ分子ポンプ

油回転ポンプはオイルの逆流が問題となるので、ドライスクロールポンプを購入予定

ターボ分子ポンプをできるかぎり容器に近づけることにより、達成真空度は飛躍的に向上する。

リボンヒーターにより容器を 100℃までベーキング

到達真空度（ 20℃） : 6x10-4 Pa アウトガス速度 : 0.2 Pa/hour

テスト容器を液体アルゴンに完全に浸した場合、真空が大きく破れる ガスケット (銅 )とフランジ (S

US)の熱膨張率の違いから生じた隙間に、液体アルゴンが入り込み容器内で気化していると思われる。

液体アルゴンの液面をフランジよりも下に保って実験を行うことにする

真空

度(P

a)

時間

液面がフランジに到達する

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平行板検出器 10cmx10cmの二枚の銅板を平行に間

隔 5cmで並べた単純な検出器 下側銅板 (カソード )に高電圧 (-2kV) 上側銅板 (アノード )より信号読み出

し

期待される信号 dに生じた電荷 Qが速度 vで銅板間を動く場合

宇宙線が検出器を突き抜けた場合 Q=5(cm)x3(MeV/cm)/24(eV/電子 )=6.3x105電子相当

読み出される信号電荷量 : Q/2

ドリフト電子の減衰がある場合、信号電荷は少なくなる

電荷 Q速度 v

Dd

-HV d/v

Qv/DQd/D

D/v

Qv/DQ/2

D

-HV

17/12 読み出しエレクトロニクス

増幅 /ADC/バッファリング /トリガー /データ書き出し　一連の読み出し

実際に宇宙線の飛跡を再構成する

CAENの液体アルゴンに特化したシステムの使用を検討している　（もしくは AMPTEK ）

CAEN SY2791 液体アルゴン用読み出しシステム (256 ch)

二相読み出しの研究

アルゴンの液相から気相にドリフト電子をとりだす。

どのように電場を形成するか 取り出しグリッドの最適化

液面の高さの制御

hep-ph/0811.3384

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カーボン製の GEM（林栄製）　　→　放電しにくい特徴がある。　　→　高圧印加後の時間安定性など

も課題。

循環・純化装置

まずは必要かどうか判断 左図　（循環純化装置の例）　　→　ゲッターと呼ばれるフィルタ　　→　気体循環ポンプ 右図　　→　浴槽を使うスキームを使う場合、冷却能力

を上げるための工夫

ゲッタ ポンプ

GEM