Development of a 3D total absorption calorimeter using energy spliting method

Research Project

Project/Area Number	20K03988
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	小寺克茂大阪大学, 大学院理学研究科, 招へい研究員 (60448074)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords	カロリメータ / シンチレーションファイバー / 入射角測定 / 角度分解能 / エネルギー分解能 / 荷電粒子検出器 / 光検出器 / 高エネルギー物理学 / 入射角 / 高エネルギー物理学実験 / カロリメーター / 高エネルギー実験 / Kaon / split / 細分割全吸収型カロリメータ / energy splitting / 物質・反物質の対称性 / KOTO / MPPC
Outline of Research at the Start	現在までに素粒子物理学で確立された理論は，この世界で起こることを高精度で矛盾なく説明できる．しかし我々の世界に存在する物質の量を説明するには，宇宙創世記にできた物質と反物質の量差を理論的に導き出す必要がある．2008年ノーベル賞の小林・益川理論は，その違いの一部を導くことができるが，現在の物質量に矛盾する(足りない)．J-PARC の KOTO実験は，この説明できない物質・反物質の違いを表す現象を探しているが，1000億個の K中間子に対して３つだけ起こる稀な崩壊現象との比較となり困難である．本研究では KOTO のカロリメータを２次元から３次元微細分割に改善し，この稀現象の初観測を目指す．
Outline of Annual Research Achievements	提案した方法は，全読み出しの積層結晶カロリメータ(各結晶は50x50mm^2断面積x長さ25放射長)に対して，横方向からシンチレーションファイバを差し込み，結晶をさらに仮想的にエネルギー分割して，実分割以上の細分化カロリメータを作るというアイデアであった．しかし，シンチレーションファイバーで吸収できるエネルギー量が小さく，細分化による位置分解能を十分には出せないことがわかった．そこで，カロリメータに差し込む予定であったシンチレーションファイバーを敷き詰めて，カロリメータの前方に6層のファイバートラッカーとして作り，入射粒子の入射角を精密に測る方法を検討した．カロリメータの細分化のためにカロリメータ内で使う計画であったファイバをそのまま（ただしこの場合は隙間なく）カロリメータの全面に配置し，同様の目的（入射光子の入射角を精密に測るカロリメータ）を目指した．本年度はこのシンチレーションファイバ (0.5 x 0.5 mm^2 断面積) を x 方向 64 本, y方向 64 本ならべて，32 x 32 mm^2 の検出面積を持つプロトタイプを作成し，東北大学電子光理学研究センター(ELPH)の光子ビームと，高エネルギー加速器研究機構の電子ビームを照射してその基本性能を確かめた．また，ファイバーで結晶中のエネルギーを詳細に読み取る代わりに，結晶カロリメータの側面に微小光子検出器（MPPC)を数十 mm ごとに貼り付け，結晶に入ってくる粒子の角度を測定する手法も検討し，１結晶(60 x 60 mm^2 x 300 mm )の側面に MPPC 16 個を貼り付けたプロトタイプを作成した．このプロトタイプは ELPH の電子ビームを入射角を変えて照射し，入射粒子イベントごとに各 MPPC で検出される光子の位置的構造を観測した．現在データ解析を進めている．