Development of a high-rate timing counter for the Omega baryon spectroscopy

• Project Area: Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
• Project/Area Number: 19H05152
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 白鳥 昂太郎 大阪大学, 核物理研究センター, 助教 (70610294)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: 光検出器 / チェレンコ検出器 / 高分解能タイミング検出器 / ハドロン物理 / チェレンコフ検出器 / 高時間分解能タイミング検出器

Outline of Research at the Start

ハドロン物理学の目標は物質の素になっているクォークから如何にしてハドロンが作られているかを解明することである。強い相互作用によってハドロンに閉じ込められたクォークの運動や相関を調べるため、重いクォークを導入し自由空間に取り出せないクォークの動きをあぶり出す。J-PARC高運動量ビームラインはオメガバリオンの励起状態の生成に有利な高運動量のK中間子ビームの供給が可能であり、オメガバリオンの励起状態を系統的に調べることができる。大強度ビーム測定用のチェレンコフ光を利用したチェレンコフタイミング検出器を開発することで、J-PARC高運動量ビームラインにおいてオメガバリオンの研究を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

J-PARC高運動量ビームラインはΞやΩバリオンの励起状態の生成に有利な高運動量の反K中間子ビームの供給が可能であるが、100倍のπ中間子の混入が反K中間子ビーム強度を0.1 MHzに制約する。本研究では、大強度ビーム測定用のタイミング検出器を開発して反K中間子ビームを1 MHzの強度へ増強を行うことで、J-PARC高運動量ビームラインにおいてΩバリオンの研究を開拓する。本年度は、Multi-Pixel Photon Counter(MPPC)の信号処理用の高速オペアンプを使用した整形回路の出力信号処理法を開発と、実機用の高速オペアンプを使用した整形回路とチェレンコフ輻射体の製作を行った。整形回路の出力信号後のリンギング抑制用にショットキーバリアダイオードを利用した試作フィルター回路を製作した。加えて、出力信号の幅を測定することで信号のtime walk補正を行うための信号整形を行う試作回路を製作した。実機と同じ3 mm幅の輻射体と整形回路、試作フィルター回路を使用し、J-PARC高運動量ビームラインで想定される強度と同じ大強度ビームによる検出器要素の評価試験を、東北大学電子光理学研究センターで実施した。想定される3 MHzの計数率の条件において、低レート環境と同じ50 ps(σ)の時間分解能の性能を得ることができ、信号処理方法を確立した。更なる大強度を目指した0.3 mm幅の輻射体を用いた検出器を評価し、3 mm幅と同じ時間分解能を達成した。狭い幅の輻射体の製作技術の確立、信号処理法の開発を完了し、大強度ビーム測定用の精細セグメントのチェレンコフタイミング検出器の測定器技術を確立した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hadron Spectroscopy with High-momentum Hadron Beams (2021)
  • Author(s): Shirotori Kotaro
  • Journal Title: JPS Conference Proceedings Volume: 33 Pages: 011115-011115
  • DOI: 10.7566/jpscp.33.011115
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 大強度二次粒子ビーム測定用タイミング検出器の信号処理法の研究 (2021)
  • Author(s): 白鳥 昂太郎
  • Organizer: 日本物理学会2021年年次大会
• [Presentation] 大強度二次粒子ビーム測定用ファインセグメントタイミング検出器の開発 (2020)
  • Author(s): 白鳥 昂太郎
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] Detector R&D for new hadron experiment platform at the J-PARC high-momentum beam line (2020)
  • Author(s): K. Shirotori
  • Organizer: 2nd Detector workshop on Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a Cherenkov timing detector for measuring high-intensity secondary beams (2020)
  • Author(s): K. Shirotori
  • Organizer: 3rd Symposium on Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Baryon spectroscopy with secondary hadronic beams at J-PARC (2020)
  • Author(s): K. Shirotori and for the J-PARC E50/E31 collaboration
  • Organizer: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of high-rate Cherenkov timing counter with MPPC (2020)
  • Author(s): T. Akaishi, K. Shirotori for the J-PARC E50 collaboration
  • Organizer: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spectroscopy of multi-strangeness baryons by using high-intensity kaon beam at the J-PARC high-momentum beam line (2019)
  • Author(s): K. Shirotori and for the J-PARC E50 collaboration
  • Organizer: 第二回クラスター階層領域研究会