Development of a particle identification detector for measuring high-momentum hadron beam reactions

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 21H00167
• 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): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: リングイメージングチェレンコフ検出器 / MPPC / 荷電粒子識別技術 / コーン型集光器 / 光検出器 / ハドロンビーム / 高運動量粒子識別 / リングイメージチェレンコフ検出器

Outline of Research at the Start

J-PARCハドロン実験施設で使用できる高運動量二次粒子ビームは世界的にユニークであり、特徴あるハドロンやハイパー核の研究を推進できる。本研究では、反応で生成する高運動量粒子の識別を行うためのリングイメージチェレンコフ検出器(RICH)を開発する。散乱粒子の広い運動量領域を測定するため、チェレンコフ輻射体としてエアロゲルとガスを使用したハイブリッド型のRICHを開発する。光センサーにはMPPCを使用し、小さい受光面積を補う集光装置を開発し、RICHとしては新しい検出器構成要素の利用を実現する。各種検出器要素を開発し、RICH実証機によって粒子識別性能の実証試験を行い、検出器技術を完成する。

Outline of Annual Research Achievements

高運動量ハドロンビーム反応から生成される高運動量粒子識別を行うためのリングイメージングチェレンコフ検出器(RICH)の開発を遂行した。測定器技術の確立のため製作した実証機では、チェレンコフ輻射体としてエアロゲル、光センサーにはMicro Pixel Photon Counter (MPPC)を使用し、MPPCの小さい受光面積を補うコーン型の集光器を開発し、RICHとしては新しい検出器構成要素の利用を実現した。コーン型の集光器と高透明度のシリカエアロゲル(屈折率1.04)や球面反射鏡(曲率半径3 m)の検出器要素を組み合わせた実証機の実証実験を、東北大学電子光理学研究センターにおいて実施した。実証実験では、800 MeVの陽電子ビームをシリカエアロゲルに照射した際に発生するチェレンコフ光を球面反射鏡にて、光センサーを並べた検出面に集光して、チェレンコフ光が発生する時の入射粒子に沿った角度であるチェレンコフ角の測定を行い、この角度分解能から実証機の性能評価を行った。測定では当初の予想よりもMPPCの暗電流の影響が大きいことが分かったが、解析方法を工夫することでRICH検出器実機に必要な角度分解能を得ることができた。コーン型の集光器の性能評価も同時に実施し、概ね想定した性能が得られていることが分かったため、RICH検出器実機の製作へ向けてコーン型の集光器を大量製作するための治具の製作を行った。実証機の実証実験の結果を踏まえたRICH検出器実機を模したシミュレーションを行うことで、高運動量ハドロンビーム反応を用いた実験においても問題無く粒子識別を行えることが分かった。RICH実証機におけるチェレンコフリングイメージのチェレンコフ角の測定精度やコーン型の集光器の性能を実証実験での評価を通じて、リングイメージングチェレンコフ検出器の測定器技術を確立することができた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of RICH detector for Secondary Beam Particles at J-PARC High-momentum Beamline (2021)
  • Author(s): 1.M. Naruki, R. Honda, S. Kajikawa, K. Shirotori, Y. Kimura, R. Tatsumi, T. Toda, M. Tokuda
  • Journal Title: RCNP annual report Volume: -
• [Presentation] Spectroscopy of charmed and multi strange baryons using hadronic beam at J-PARC (2023)
  • Author(s): K. Shirotori
  • Organizer: Third International Workshop on the Extension Project for the J-PARC Hadron Experimental Facility (3rd J-PARC HEF-ex WS)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-PARCにおけるチャームバリオン分光実験用リングイメージングチェレンコフ検出器の開発 (2023)
  • Author(s): 戸田匡哉, 徳田恵, 阪口篤志, 白鳥昂太郎, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 宇田隆祐, 林双葉, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会, 24aV2-10, オンライン開催
• [Presentation] J-PARC におけるチャームバリオン分光実験用のリングイメージングチェレンコフ検出器の粒子識別性能評価 (2023)
  • Author(s): 徳田恵, 戸田匡哉, 白鳥昂太郎, 阪口篤志, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 宇田隆祐, 林双葉, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会, 24aV2-11, オンライン開催
• [Presentation] Investigation of hadron effective degrees of freedom from charmed baryon spectroscopy experiment at J-PARC (2023)
  • Author(s): K. Shirotori
  • Organizer: 第8回クラスター階層領域研究会
• [Presentation] Performance evaluation of a prototype Ring-Imaging Cherenkov detector for the charm baryon spectroscopy experiment at J-PARC (2022)
  • Author(s): T. Toda, M. Tokuda, K. Shirotori for E50 collaboration
  • Organizer: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and performance evaluation of optics system of Ring-Imaging Cherenkov detector for the charm baryon spectroscopy experiment at J-PARC (2022)
  • Author(s): M. Tokuda, T. Toda, K. Shirotori for E50 collaboration
  • Organizer: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] J-PARCにおけるチャームバリオン分光実験用のリングイメージングチェレンコフ検出器のテスト機の性能評価 (2022)
  • Author(s): 戸田匡哉, 徳田恵, 阪口篤志, 白鳥昂太郎, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 宇田隆祐, 林双葉, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会, 7pA562-4
• [Presentation] J-PARCにおけるチャームバリオン分光実験用のリングイメージングチェレンコフ検出器の光学系の設計と性能評価 (2022)
  • Author(s): 徳田恵, 戸田匡哉, 白鳥昂太郎, 阪口篤志, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 宇田隆祐, 林双葉, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会, 7pA562-5
• [Presentation] Spectroscopy of heavy flavor baryons at J-PARC (2022)
  • Author(s): K. Shirotori
  • Organizer: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リングイメージングチェレンコフ検出器における光学系の設計と性能評価 (2022)
  • Author(s): 徳田恵, 阪口篤志, 白鳥昂太郎, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 戸田匡哉, 木村祐太, 辰巳凌平, 山本勇次, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会, 15pA123-5, オンライン開催
• [Presentation] チャームバリオン分光実験に用いるリングイメージングチェレンコフ(RICH)検出器のデザインとテスト機の性能評価 (2022)
  • Author(s): 戸田匡哉, 阪口篤志, 白鳥昂太郎, 野海博之, 石川貴嗣, 田端誠, 徳田恵, 木村祐太, 辰巳凌平, 山本勇次, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会, 15pA123-6, オンライン開催
• [Presentation] 低屈折率エアロゲルとMPPCを用いた閾値型チェレンコフ粒子識別検出器の性能評価 (2022)
  • Author(s): 辰巳凌平, 阪口篤志, 白鳥昂太郎, 田端誠, 徳田恵, 戸田匡哉, 山本勇次, 他J-PARC E50コラボレーション
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会, 15pA123-7, オンライン開催