| Project/Area Number |
20H05638
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section B
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
中條 達也 筑波大学, 数理物質系, 講師 (70418622)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三明 康郎 筑波大学, 数理物質系(特命教授), 特命教授 (10157422)
蜂谷 崇 奈良女子大学, 自然科学系, 助教 (10589005)
大山 健 長崎総合科学大学, 工学研究科, 教授 (10749047)
下村 真弥 奈良女子大学, 自然科学系, 助教 (70555416)
杉立 徹 広島大学, 先進理工系科学研究科(理), 名誉教授 (80144806)
稲葉 基 筑波技術大学, 産業技術学部, 准教授 (80352566)
Novitzky Norbert 筑波大学, 数理物質系, 助教 (30842570)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥194,740,000 (Direct Cost: ¥149,800,000、Indirect Cost: ¥44,940,000)
Fiscal Year 2023: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
Fiscal Year 2022: ¥112,970,000 (Direct Cost: ¥86,900,000、Indirect Cost: ¥26,070,000)
Fiscal Year 2021: ¥22,620,000 (Direct Cost: ¥17,400,000、Indirect Cost: ¥5,220,000)
Fiscal Year 2020: ¥29,250,000 (Direct Cost: ¥22,500,000、Indirect Cost: ¥6,750,000)
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| Keywords | 量子色力学 / カラーグラス凝縮 / クォーク・グルーオン・プラズマ / 電磁カロリメータ / 前方物理 / LHC 加速器 / ALICE 実験 / シリコン検出器 |
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| Outline of Research at the Start |
量子色力学（QCD）において、カラーグラス凝縮（CGC）と呼ばれる未発見な状態が存在する。この状態は高密度グルーオン物質であると同時に、高エネルギー重イオン衝突で出現するクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の初期状態だと考えられている。我々は未解明なCGCを探査するため、高精細シリコン電磁カロリメータ「FoCal」を開発した。今回、このFoCal を LHC加速器のALICE実験に建設設置し、前方に生成される光子・中性中間子を世界最高精度で測定し、CGCの有無や発展、QGPの生成起源、熱化機構を探求する。日本が主導する新しい国際共同実験である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2021年度では、P型シリコンセンサーとフロントエンド集積回路 HGCROC を接続するために、新たな基板開発を仏・Grenoble LPSC と行い、センサーとHGCROC を接続し、第３号試作機を製作した。製作したモジュールを CERN SPS加速器のテストビームラインにてテストした（10-11月）。シリコンセンサーに 120 GeV ハドロンビームを照射し、応答でを測定したところ、最小電離粒子シグナルが明確に観測されていることが分かった。更に、モジュールの前面にタングステン板を複数設置し、80 GeV/c の電子ビームを照射し、電子シャワーの測定に成功した。これらの結果とPixel 検出器、ハドロンカロリメータ検出器の実験結果を合わせて、CERN EP newsletter に記事を投稿、掲載された。
2018年に我々日本グループが製作した FoCal 第２号試作機（mini-FoCal）のデータ解析を進めた。学術誌への投稿の最終段階にある。性能を評価した結果、エネルギー分解能にして約４％を達成していることが分かった（目標５％以下）。これらの結果をまとめ、学術誌に投稿する。
2021年、佐賀大学もALICE フルメンバーとして加入し、FoCal 後段の読み出し開発に参加した。長崎総合科学大学は、FoCal における読み出し回路担当となり、トリガー開発を本格的に開始した。理研と合同で放射線耐性テストに関する共同研究を実施しした。FoCal 日本グループは、筑波大、筑波技術大、理研、奈良女子大、広島大、長崎総合科学大、佐賀大の７機関、１８名となり、 FoCal 国際コラボレーションの中において、FoCal-E pad 検出器の責任機関であると同時に、読み出しシステム、トリガー開発においても中心的な位置を占めるに至った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
概ね順調に進展している。特に新型p 型シリコンセンサーとHGCROC 読み出し集積回路を用いた第３号試作機に関して、テストビーム実験や実験室での基礎特性測定を通じて、この２年間で開発の目処がついた。この開発を完了させ、２０２２年に予定されているCERN でのテストビーム実験、および KEK でのテストビーム実験を行い、最終R&D は完了し、2023年に FoCal の技術デザイン書 (TDR) を策定できると考えている。
懸念事項の１つとして、新型コロナの影響による世界的な半導体不足がある。本研究はシリコンセンサーを使うことが必須であるため、影響は避けられない。ただし十分事前に発注準備を行い、必要枚数のセンサーを確保すれば、最小限の影響で問題なく研究が進められると考えられる。
２つ目の懸念は、ウクライナ情勢である。ウクライナの研究機関では、FoCal-E Pixel 検出器のフレキシブル基板の製造を行っている。ウクライナ情勢が好転しない場合は Pixel 開発を行っている別の機関、例えばベルゲン大学 (ノルウェー)などの協力により、別の機関で基板を製造し、計画を遂行する可能性がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０２２年度では、FoCal-E pad 第３試作機を引き続き製作し、製作したモジュールのビーム試験を行い、性能を評価する。まず6 月に CERN PS 加速器を用いてテストを行う。その際、複数のモジュールを同時に読み出すことができる「アグリゲータボード」を用いて読み出す。7月には、KEK PF-AR 加速器でのテストビームラインが使用できる場合、FoCal をKEKビームラインでテストを行う。9月、11月には、FoCal-E pad に加えて、pixel, FoCal-H 検出器も合わせた統合試験を CERN SPS (H8, H2) で行う。これが TDR に向けた最終テストとなる。テスト終了後、データ解析を行い、その結果を投稿論文にまとめ、投稿する。同時に TDR に掲載する資料を作成する。理研小型中性子源システム RANS を用いて、放射線耐性テストを継続して実施する。これまでの IV 特性に加えて、CV 特性の取得、素子の放射線耐性も評価する。これらの結果を投稿論文、TDR にまとめる。また専用のprobe station の開発を完了し、中性子照射前後の違い等、シリコンセンサーの基礎特性を系統的に調べ、まとめる。データ解析に向けた ALICE コンピューティングの再構築を筑波大にて行う。
令和５(2023)年度は、TDR を作成し、LHCC 委員会に提出する。５ pad layer のモジュール製作の作業工程を定め、製作を開始する（FoCal 第４試作機）。製作後は KEK PF-AR テストビームラインを用いて、各 layer の最小電離粒子シグナルを捉え、ゲインの較正を行う。令和６(2024)年度は、FoCal 第４試作機を ALICE 前方、衝突点から 7m の位置に導入する。そこで中性パイ中間子 (π0) を再構成し、その横運動量分布を測定し、最初の物理論文とする。またπ0-π0 相関測定から CGC の兆候が見られるかどうかを確かめる。これらの初期結果を、国際会議Hard Probes 2024 会議（３５０人規模、議長：中條、開催地 長崎）にて発表する。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment Comments (Rating)
A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.
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