2019 Fiscal Year Research-status Report
Detector development for uncovering mysteries in neutron spectra through next-generation electron-hadron collisions
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19K03886
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
山崎 祐司 神戸大学, 理学研究科, 教授 (00311126)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電子・陽子散乱 / 電子・原子核散乱 / 電子・重イオン散乱 / 中性子生成 / 前方散乱 / カロリメーター / 放射線耐性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
この研究は，過去に測定された高エネルギー散乱で生成する超前方中性子の運動量分布が測定により異なることを動機とした，次世代の電子・陽子衝突型加速器実験（米国EICおよび欧州LHeC）で中性子の精密測定を行うための基礎技術の開発である。大きな放射線損傷が予想されるため，その放射線量の推定，損傷に強い検出器の開発，またそもそも加速器付近に検出器が設置できるよう働きかけること，が研究の柱である。
LHeC加速器では測定のためのゼロ度カロリメーター(ZDC)の設置場所を確保することが課題であった。今年度は，加速器が計画されているCERN研究所の加速器部に働きかけ，ZDCの設置場所を確保した。またその設置場所に中性子が加速器の要素（磁石等）に妨害されずに飛来できる開口が十分であることから，そこでどのような検出が可能で，どのような物理に結び付けられるかを検討した。その結果，要求される測定精度を満たすカロリメーターが現行の技術でおおむね可能であることを示した。合わせて放射線量を大まかに見積り，国際学会で発表した。
EICに関しては，理化学研究所の後藤氏らと，要求される性能，特にどのような性能を重視するかについて検討を重ねた。その結果，比較的エネルギーが低いことからカロリメーターでのエネルギー測定精度が重要であること，そのためにはプラスチックを用いたカロリメーターが理想だが，放射線量の点からほぼ不可能であること，代わりに近年国際リニアコライダーで使われる予定のカロリメーターのような，ハドロンシャワーの詳細な形状測定によりエネルギー測定を向上させる方法が必須であることがわかった。また，陽子ビームと加速器ビームパイプ中の残留ガスの散乱が多く，放射線量が予想よりかなり多い可能性があることを突き止めた。
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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
研究のうち，検出器の設置場所については両加速器ともめどが立った。LHeCの設計は最終ではないが，現装置で設置場所を確保することを加速器に働きかけ，関連学会で発表した。その結果，設計の際に要求を取り入れることが決まり，それを技術仕様書アップデート版中にまとめた（現在全体の編集中で近日出版予定）。一方EICについては，今年度終盤の2020年1月9日に加速器の建設を米国のBNL研究所に設置することを決定し，これにより加速器のパラメーター，およびZDCの設置位置がおおむね具体化した。これらのことから，両加速器について設置場所については状況が明らかになり，今後はその詳細を詰めていくのみとすることができた。
放射線量推定については，両加速器ともパラメーターが具体化し，放射線量の大まかな推定をすることができた。その結果，EICではビーム残留ガスとの散乱が多いため，中性子が直接入射する開口部では放射線量が非常に高く，当初予定していた安価でエネルギー分解能のよいプラスチックシンチレーターによるカロリメーターは開口部では実現不可能であることが判明した。加速器要素（磁石等）によって遮蔽されている領域では放射線が若干少ない可能性もあり，詳細な放射線シミュレーションによりその領域を同定する必要があることがわかった。これを受けて，そのシミュレーションの準備を行った。
このことから，もう一つ予定していた放射線損傷によるプラスチックシンチレーターの光量変化の定量的測定については，まずプラスチックシンチレーターが使用できる可能性があるかを見極めて，用いるシンチレーターを検討して行うこととした。
このように，予定していた研究のうち一部は想定より進み，一部は想定通り，一部は若干遅れたが，全体としては予定通り進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，放射線量のより正確な見積もりに基づき，カロリメーター設計を具体化する。
EICでは，カロリメーターの要求のうちエネルギー分解能を満たすことが圧倒的に難しく，放射線耐性のあるシリコン検出器，クォーツファイバー，高性能結晶シンチレーターなどで分解能性能が満たせるかを，製作中のシミュレーションにより検証していく。結晶シンチレーターは応答速度が遅く，ビーム残留ガス衝突の頻度によってはEICの短いバンチ衝突間隔(2ns)では事象が重なる可能性があり，その点も検討する。またプラスチックシンチレーターが使用可能であるかを，放射線量を詳細に分析して調べていく。
LHeCでのZDC位置での放射線環境は，ビームエネルギーがEICの30-100倍程度であり，より厳しい。シリコン検出器で線量に対応可能かを，シミュレーションにより検討する。
プラスチックシンチレーターの放射線損傷による光量変化の実時間測定は，使用するプラスチックシンチレーターの種類に検討が必要なこと，現在加速器施設が使用できないことの2点から，今年度は検出器の製作を行い，今年度末または来年度に実験を行う。また，プラスチックシンチレーターがEICで実用不可能と見積もられる場合は，他の検出器の試験に集中する可能性も考える。
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| Causes of Carryover |
3月に予定していた関連学会DIS2020(ニューヨーク州)がCOVID-19のため中止となり見合わせた。今年度他の関連学会で情報収集する予定である。
またプラスチックシンチレーターの放射線損傷と回復の実験装置を一部作成する予定であったが，プラスチックの種類について詳細に検討する必要があるため，シミュレーションで放射線損傷を詳細に見積もったのち，次年度に設計を行う。また交付額の範囲で行うために，光検出器をよりコンパクトなものに置き換えて行うことを検討している。これをもとに検出器作成を次年度に行う計画である。
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