2018 Fiscal Year Annual Research Report

ＫＯＴＯ実験を利用したｉｎｖｉｓｉｂｌｅ粒子の探索

Research Project

Project/Area Number	17J02178
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	清水信宏大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	K中間子 / 中性子識別 / カロリメータ / ダークフォトン
Outline of Annual Research Achievements	本年度は，中性子を起源とする事象を削減するために，KOTO検出器に用いられているCsI電磁カロリメータのアップグレードを行った。中性ビームであるKLビームラインには，KLだけでなく，大量のγや中性子も含まれている。特に，このビームの中心から滲み出た中性子が，検出器の上流のコリメータなどで散乱されCsIカロリメータに入ると，本来欲しい信号のように振舞ってしまい，背景事象となる。実際，本研究の信号であるπ0→γA'はもちろん，KL→π0νν崩壊の無視できない背景事象となっている。そこで，中性子とγを弁別するために，CsI結晶の前面に，MPPC (Multi pixel photon counter)という光検出器を取り付けることにした。従来は，結晶の背面に取り付けられたPMT(photo multiplier tube)を用いてシンチレーション光を検出していたが，MPPCを新たに前面につけることにより，両者が観測した時間の差ΔT=T_MPPC-T_PMTから，発光点の深さを知ることができる。γはCsI結晶の浅い部分で、エネルギーを落とすのに対し，中性子は結晶の内部で一様に反応することが知られているから，ΔTの値を用いて中性子とγの弁別が可能となる。安定に，均質な品質を保ちながら接着するために，特別な冶具を設計した。接着剤が硬化している間に不用意な振動が加わっても，適切に押し付けが保たれるよう，バネで圧をかけるなどの工夫を行っている。冶具のデザイン，品質保証の手順など，事前の準備を入念に確立していたことや，システマティックな作業工程を維持できたことが幸いし，約五人という少人数で作業を続けたのにも関わらず，一か月半ほどで，4080個のMPPCの接着を大きなミスなく無事に成功させることができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason MPPCの接着作業と並行して，宇宙線を用いた時間差ΔTの測定の確認も行った。CsI結晶の上下に，プラスチックシンチレータを設置することで，宇宙線のトラッキングを行う。エネルギーが落ちた場所の深さと，測定されるΔTのプロファイルを事前に測定することで，今回のアップグレードの機能性を確認するだけでなく、結晶ごとの，光量や波形といった個性をデータベース化することができた。この，宇宙線測定で得られたデータベースをもとにして，モンテカルロ (MC)を用いた検出器応答のシミュレーションを行った。シミュレーションによって、粒子がCsIカロリメータの内部でエネルギーを落とした場所や大きさを，時々刻々，計算することができる。このミクロな情報をもとに，伝搬時間を考慮して波形として重ね合わせ，実際に観測される時間を計算する。この研究によってγの効率90％を維持しつつ，中性子の寄与を3％まで削減できることがわかった。2019年2月，実際のビームを用いたデータ取得を開始した。中性子のサンプルは，KLビームラインの上流に3㎜のアルミニウムを置くことで，中性子を意図的に散乱させて取得した。MCシミュレーションは良く実験を再現していることが確認されている。新しい検出器をインストールした直後にもかかわらず、前もってシミュレーションのソフトウェアを開発できていたことが幸いし、データの取得後のフィードバックをスムーズに行うことができた。
Strategy for Future Research Activity	現在は、ビームのデータを取得中であるため、MPPCの読み出しに対して、荒いキャリブレーションを適用している。中性子/γの識別のパフォーマンスをより高めるために、より精度の高いキャリブレーションの手法がないか研究する。また、これまで、中性子背景事象の削減のために、クラスターの形をニューラルネットワークで判定する手法が使われてきた。電磁シャワーがカロリメータの中で二次元に発展していく様子から、中性子背景事象を数％程度にまで削減することができる。今回開発した，ΔTによる選別と従来の手法の相関によって、削減能力が低下しないか、今後、検証を行っていく予定である。最後に、ΔTの分布は、荷電粒子の選別にも用いることができる可能性がある。電離損失によって、エネルギーを落としながら、CsIの中を深く貫通していくπ+やμ+などの粒子は、ΔTに対して特徴的な分布となる。荷電粒子を伴う背景事象を削減したり、新たな新物理探索ができる可能性がないか、今後検討していきたい。