1

KOTO –4 –

, ,

cotera@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp, shimizu@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp,

nanjo@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp

2020 ( 2 ) 8 2

1

J-PARC

KOTO [1,

2, 3, 4]

2

2 (+1

) “4 ”

γ KOTO

4

2 KOTO

J-PARC KOTO KL → π0νν

3×10−11 [5]2%

KOTO 3×10−9(90%CL)[6]

KOTO [7] 1

KL

Z KL γ

8 cm

IB IB

UCV

崩壊領域

カロリメータ

荷電粒子検出器ビーム近傍の検出器

Z(m)

Y(m)

1: KOTO

( GeV/c)

KL

1.4 GeV/c “ ” KL

KL → π0νν

KL → π0νν “2γ ”2γ

“ ”

veto

1.9 m 50 cm un-

doped CsI

2.5 cm 5 cm

2716 PMT

γ

0.1 GeV 2 GeV

XY

2.5 cm

σE/E = 0.66%⊕1.81%/√E(GeV)(

1.99⊕3.95/√E(GeV)

)(mm) [8, 9]

KOTO 2 XY

π0 4

64

2

3

2013 KOTO

( 2

)

1

2

XY

30 cm 100 cm

中性子

信号 ハドロンクラスタ背景事象

KL → π0νν

2γ

2: ( ) ( )

2 π0

1

(SES1)

KOTO

(SES = 3×10−11)0.5 1/10

1: KOTO

(∗:preliminary)[6, 10, 11]

(SES)

2013 1.3×10−8 0.182015 1.3×10−9 0.24

2016-18 6.9×10−10∗ 0.02∗

4

2012 8 (2013 KOTO 1

) ( )

1Single Event Sensitivity: 1

“

2

” 2 2

2013

2013

2015

J-PARC 2018

J-PARC

2018

“ 1/10

” 2018

5

2 γ

1.9 cm

2

2

PMT

MPPC

( 3) ∆T = TMPPC −TPMTv

Z L ∆T

2KOTO KEK E391aE391a

30 cm 2

65

3

∆T =Z

v− L− Z

v=

Z − L/2v/2

. (1)

∆T Z XY

Z 4

4

MPPC PMTundoped CsI : 50cm

時間差 : ΔT=TMPPC-TPMT ΔT(信号) < ΔT(ハドロンクラスタ背景事象)

3:

6

PMT

MPPC

γ

( 3.5 cm) 10 cm

256

4

6 mm MPPC 2.5 cm 1 5 cm

4 ( 4080 MPPC)

MPPC ( )

MPPC4 3

(1024 )

1.1 mmφ ( U.FL

U.FL )

(1024 )

4MPPCs/5cm□(1MPPC/2.5cm□)x4

1.1mmφ coaxial cable 3.5m

4080MPPCs→1024 cables → 128 cables

summing amp.Ethernet cable (2 differential pair/cable)

256 outputs

4MPPCs/5cm□(1MPPC/2.5cm□)x4

1.1mmφ coaxial cable 3.5m

4080MPPCs→1024 cables → 128 cables

summing amp.Ethernet cable(2 differential pair/cable)

256 outputs

Vacuum

feed throughfeed through

Air

4:

3 3

( 3.5 m)

U.FL

4 (256

) Ethernet 4(128 )

2 1

Ethernet ADC

7

7.1

5 cm 50 cm

CsI PMT MPPC

Z

∆T = TMPPC−TPMTZ ∆T 5

5 cm

28 MeV ∆T 1.1 ns Z

5 (Z-

∆T ) 50 cm ∆T 7.4 ns

Z 1.1/7.4×50 = 7.4 cm1 1/v 7.4 ns/m

2 25

TDEntries 1081Mean 10.17− RMS 1.308

/ ndf 2χ 6.043 / 8Prob 0.6424Height 6.2± 145.6 Mean 0.04±10.18 − Sigma 0.042± 1.133

t (ns)Δ20− 18− 16− 14− 12− 10− 8− 6− 4− 2− 0

# of

eve

nts

0

20

40

60

80

100

120

140

160 TDEntries 1081Mean 10.17− RMS 1.308

/ ndf 2χ 6.043 / 8Prob 0.6424Height 6.2± 145.6 Mean 0.04±10.18 − Sigma 0.042± 1.133

Distance from MPPC (cm)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

(ns)

Mea

nt

Δ

18−

17−

16−

15−

14−

13−

12−

11−

10−

9−

8−

/ ndf 2χ 9.919 / 6Prob 0.1281p0 0.04032±16.28 − p1 0.001399± 0.1488

/ ndf 2χ 9.919 / 6Prob 0.1281p0 0.04032±16.28 − p1 0.001399± 0.1488

ΔT(ns) MPPCからの距離(cm)ΔT分布のピーク(ns)

事象数

5: ∆T ( ) Z-∆T ( )[12]

7.2 Z-∆T

KOTO 50 cm CsI FNAL

KTeV

8 25 cm

6 Z-∆T

6

PMT PMT

4 6 Shielded with Foiled Twisted Pairs5CsI 310 nm 2.0 500 nm

1.8

66

4

MPPC6

[12]

Distance from MPPC (cm)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

(ns)

Mea

nt

Δ

18−

17−

16−

15−

14−

13−

12−

11−

10−

9−

8− / ndf 2χ 10.61 / 2

Prob 0.004962p0 0.03426±16.54 − p1 0.002194± 0.1083

/ ndf 2χ 10.61 / 2Prob 0.004962p0 0.03426±16.54 − p1 0.002194± 0.1083

/ ndf 2χ 8.225 / 2Prob 0.01637p0 0.06287±15.92 − p1 0.001664± 0.1274

/ ndf 2χ 8.225 / 2Prob 0.01637p0 0.06287±15.92 − p1 0.001664± 0.1274

MPPCからの距離(cm)

ΔT分布のピーク(ns)

6: Z-∆T ( ) ( ) [12]

7.3 γ

γ

(RCNP)7Li(p, n)7Be

γ

γ (TOF)

392 MeV

O(100) MeV γ 7 50 cm

CsI 15 cm

PMT MPPC

7

CsI γ

TOF

100-300 MeV

7 γ ∆T

∆T

∆T

γ

38 cm

7.2

25 cm Z-∆T

γ 90%

32% O(100) MeV

1 γ

90% 1/3

6MPPC PMTPMT

MPPC

7 γ π0

ToFEntries 365073Mean 48.68RMS 19.48

TOF (ns)40− 20− 0 20 40 60 80 100 120 140

# of

eve

nts

1

10

210

310

410

ToFEntries 365073Mean 48.68RMS 19.48

γ

N

TOF(ns)

# of events

4- 2- 0 2 4 6 8 10 12 140

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12 γ

neutron

ΔT(ns)

# of

eve

nts

# of events

ΔT(ns)

7: CsI ( ) γ

∆T ( )[12]

7.4

2019 2 4 KOTO

KL → π0νν 2 () KL → 3π0 π0 → 2γ

8 γ ∆T

6 PMT MPPC

MPPC

( )

γ 0.04%

2 ∆T

∆T 8 8

90% (2.1±0.1)×10−29

∆T

∆T

∆T

(4.0±0.6)×10−2

0 200 400 600 800 1000Deposit energy (MeV)

00.20.40.60.8

11.21.4

Tim

ing

reso

lutio

n (n

s) TΔ

MPPCT

PMTT

26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 T(ns)Δ

0

0.010.02

0.030.04

0.050.06

# o

f eve

nts

(Data)0π 3→LK

neutron sample(Data)

8: ∆T ( )

∆T

( )[13]

8∆T 2

9KL → π0νν KL → 3π0 γ

67

5

∆T

∆T

0.5× (4× 10−2) = 0.02

9

PMT

1

PMT

1

30-100 cm

2 PMT

2

1

TPMT 2

Tinv

Tinv =TMPPC + TPMT

2, (2)

Tinv 2

Tinv ∆Tinv

9

∆Tinv

∆T ∆Tinv

Tinv KOTO

[14, 13]

中性子

ハドロンクラスタ背景事象

8− 6− 4− 2− 0 2 4 6(ns)inv TΔ

00.010.020.030.040.050.060.070.080.09

# o

f eve

nts

(Data)0π 3→LK

neutron sample(Data)

9: TOF ( ) ∆Tinv

( ) [13]

8

8.1

1010 MPPC S13360-6050CS

6 mm 50 µm

10 ; 325-6

シリコーン

10: MPPC S13360-6050CS

( ) ( )

1) :

undoped CsI

310nm 24%

2) : 10 cm

50 MeV MPPC

6 mm 50 MeV

300 p.e.

3) :1.7× 106

4) :

23 mm 11 MPPC 2.3 mm

5) :

0.004

γ

6) :4000

MPPC

8.3 8.7

8.2 MPPC

MPPC MPPC

11

MPPC

11: MPPC

11

ZCFRP

2mm

68

6

MPPC

MPPC

RC

2017

MPPC

MPPC

MPPC

MPPC 10%

MPPC

MPPC

30%

MEG II

2

2.5 cm

4

8.3 MPPC

MPPC

S/N

1 MeV-n/cm2

1 MeV

MPPC KOTO 3

350

8 × 108 1 MeV-n/cm2

6 mm MPPC 0.5 µA

50

MPPC 2019 J-PARC

20

MPPC

20

KOTO

8.4

12

[15, 16] MPPC 4 4 16

MPPC MPPC

0.1 µF

(

) 1 kΩ

8.4.1 50 Ω

3.5 m MPPC

50 Ω

MPPCからの4入力

out-

out+

サミングアンプ

差動バッファ

51

51

220+330220

AD8065

AD8011

AD8011

0.1u

330

out-

out+

220+3302202

011AD80

011AD80

330

51

065AD8051

51

51

51

51

MPPCバイアス電圧

MPPCx4

1k

0.22u

x4-+

-+

-

+

510.1u

1k

暗電流

信号パルス

50Ω信号受信部

12:

69

7

AD8065 −0V 0.1 µF 51 Ω

1 kΩ

MPPC

50 Ω

8.4.2 (summing amplifier)

4 MPPC 0.1 µF

AD8065 −

(Ii(i = 0 · · · 3)) 50 ΩV = −50 Ω × (

∑i Ii)

4

FET AD8065

145 MHz ( 1)

64 mW

8.4.3

2 15 m Ethernet

ADC

AD8011

( −) (300 MHz)

(10 mW)

AD8011 −

(220 + 300)/220 = 2.5

51 Ω

ADC 50 Ω 51 Ω

1/2 2.5

CsI

ADC

8.4.4

40 MHz

84 mW KOTO

S/N > 20(Noise MPPC

) 1%

8.5

80 MHz(

1) (AD8034)

MPPC Fourier

MPPC

13

−

145 MHz AD8065

13

Time[ns]100 200 300 400 500 600

Voltage[a.u]

0

0.5

1 Vin=0.05[V]

Vin=0.10[V]

Vin=0.30[V]

Vin=0.49[V]

Vin=0.69[V]

Time[ns]100 200 300 400 500 600

Voltage[a.u]

0

0.5

1 Vin=0.05[V]Vin=0.10[V]Vin=0.30[V]Vin=0.49[V]Vin=0.69[V]

AD8034(80MHz) AD8065(145MHz)

出力波形

Voltage(a.u.)

Voltage(a.u.)

Time(ns) Time(ns)

13:

( :AD8034 :AD8065)

[16]

8.6 MPPC

4 MPPC 1024

MPPC On/Off

MPPC

14 Mother 4

Mother Daughter 8

32 4×8×32 = 1024MPPC [16]

Mother

70

8

6 12 MPPC

15 Daughter

1.1 mmφ (U.FL

)32 MPPC

MPPC

Daughter

Daughter Ethernet

暗電流測定回路

信号

HV測定回路

PC シフトレジスタ

MPPC

×32HV電源

大気側

スイッチ

温度測定回路

真空中Daughter基板 — 8枚

HV

Mother基板 — 1枚

分配回路

デジタル信号

±5V電源

(ラズベリーパイ)

x2ハイブリッド接続された4つのMPPC

14: MPPC [16]

140 mm

140 mm

235 mmMPPC信号入力(U.FLコネクタ)

差動信号出力(RJ45コネクタ) 制御入出力 電源入力

15: Daughter [16]

MPPC 6

3 Mother 9

16 Mother

413 Raspberry Pi

4

( 16 ) Ethernet

2

Yau Wah

12SPI( 2 ) 4

6

13 ; 453

KEK

20極コネクタ デジタル通信用7ch テストパルス用2ch

HVx2, LV(+,-), GNDフランジφ185

ラズベリーパイからのケーブル 2ch/cable x 96ports=192ch →2 feedthrough flanges for 256ch

信号用フィードスルー

16: MPPC ( ) ( )

8.7 MPPC

MPPC

MPPC CsI

1)

CsI

2) 4 N

MPPC U.FL

3) 4)

(

) 5) (0.1 Pa)

PMT

(310 nm )

6)

2

MPPC 10

MPPC

0.5 mm 14 8.215 17

Jeonbuk

MPPC J-PARC

LED

CsI J-PARC

CsI

14 ; 67615 ; 3-7-24

71

9

MPPC

17: MPPC ( ) 2.5 × 2.5 cm2 )5 × 5 cm2 ( )

8.7.1 MPPC

MPPC

MPPC J-PARC

10 MPPC

100 µm CsI

UV

0.1 mm UV

MPPC PMT

(

TSE3032 TSE)

UV

UV EPO-TEK305 ( EPOTEK)

MPPC

MPPC

TSE

( 18)

18:

TSE( )

19

19 3) MPPC

TSE 19 3)f16 MPPC 200 µm

TSE TSE

( 2011) MPPC

MPPC −15◦C+45◦C 0.1 Pa

19: MPPC a.

b. MPPC c. TSE3032 d.

e. 2011 f.

g. 1) MPPC 200 µm

2) 2 N/MPPC 3)

8.7.2 MPPC CsI

CsI17 CsI

EPOTEK

1MPPC

12 µℓ 4MPPC 24 µℓ EPOTEK18

EPOTEK

EPOTEK

16

60

1 2

MPPC

CsI

20 CsI

1 2

16MPPC TSETSE

17TSE CsI18 : ; 2-2-26

72

10

20: MPPC CsI

2

XYZ 3

MPPC

20) 3 N CsI

MPPC

MPPC 2

MPPC

MPPC MPPC19

3.5 m U.FL MPPC

MPPC

21 2018 2019

2 MPPC

8.8

CsI 20%

19

21: MPPC

(

SLP22-EFD-M6)

(CKD SU302D-05-W-C2)

1.5 m × 2 m × 2 m ( 22) 100 ℓ/min

1%

4%

20%

ℓ/min

20%

( 22 )

J-PARC

KOTO MPPC

J-PARC

20%

22: ( )

( )

73

11

9

4 6

2

2 3 KOTO

KOTO

KOTO

Jeonbuk MPPC

J-PARC

MPPC

KOTO

KL → π0νν

KOTO 3 KL → π0νν

KL K

KOTO

JSPS (16H06343 16H02184)

[1] H. Nanjo, J. Phys. Conf. Ser. 1526, no.1, 012025

(2020)

[2] K. Kotera, J. Phys. Conf. Ser. 1526, no.1,

012036 (2020)

[3] M. Osugi, J. Phys. Conf. Ser. 1526, no.1, 012037

(2020)

[4] M. Osugi, JINST 15, no.05, C05067 (2020)

[5] A. J. Buras, D. Buttazzo, J. Girrbach-Noe and

R. Knegjens, JHEP 11, 033 (2015)

[6] J. K. Ahn et al., Phys. Rev. Lett. 122, no.2,

021802 (2019).

[7] , , , , ,

, 13-2, 83 (2013).

[8] K. Sato et al., Nucl. Instrum. Meth. A

in press https://doi.org/10.1016/j.nima.

2020.164527

[9] K. Sato, PhD thesis, Osaka University, 2015.

[10] J. K. Ahn et al., PTEP 2017, no.2, 021C01

(2017).

[11] S. Shinohara, J. Phys. Conf. Ser. 1526, no.1,

012002 (2020).

[12] , , , 2018.

[13] , , , 2020.

[14] , , , 2019.

[15] , , , 2018.

[16] , , , 2019.

74