2021 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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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 電子・陽子散乱 / 電子・原子核散乱 / 光検出器 / ゼロ度 / 中性子生成 / 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。高頻度衝突によ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実験は，検出器全体の概念設計書(2013年)のアップデートが出版された。また LHeC 実験を行うに際し，LHC実験の第2衝突点実験ホールを既存の重イオン実験 ALICE のアップグレード検出器と共用する可能性について，検出器部分の検討を行った。これに関した国際会議発表を行い，またそれに関する論文執筆の一部を担当し，その論文が出版された。加えて，研究の発展として，LHeC実験の積算ルミノシティーが大きく，電弱相互作用の精密測定を陽子，電子から放射されるガンマ線対の衝突で見ると十分な事象数が得られることを共同研究者の Piotrzkowski 氏とともに着想した。私が詳細な断面積の計算を行い，共同研究者がが国際会議で発表した。
EIC実験の ZDC 検出器では，加速器運転に伴う中性子による放射線損傷を定量的に評価した。検出器の中心ではプラスチックシンチレーターでは放射線量に全く耐えないこと，シリコン検出器を用いれば耐えうることを示した。一方中性子が直接入射しない，中心から20cm以上離れた場所ではプラスチックシンチレーターも用いうることを示した。これらと前年度行った全吸収型電磁カロリメーターの概念設計をもとに，ZDCの具体的な構造を決定し，その結果をEIC国際共同研究ECCEの内部文書（非公開）としてまとめた。またその結果を共同研究者の清水志真氏が日本物理学会で発表した。
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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
研究計画のうち LHeC での中性子カロリメーターについてはこれまでに設置場所を確保したので，本年度はLHeC実験検出器全体のデザインについて携わった。具体的には，前述のように ALICE 実験の重イオン衝突と LHeC の電子・ハドロン衝突とで両用できる検出器の概念設計，および関連する衝突点の位置，鍵となる中央飛跡シリコン検出器の薄型化技術のサーベイなどを行い，それをまとめて国際学会に提出した。その結果は査読ののち学会の論文集で出版された。
また，LHeC の発展課題として上述のガンマ線対衝突の断面積が大きいことを計算で求め，学会発表をするなど，当初の予定を上回る研究成果が LHeC に関しては得られた。
EIC実験のZDCカロリメーターでは，放射線量の評価が定量的に行われた結果，表面より10cmビーム下流側のカロリメーターについてはシリコン検出器とプラスチックシンチレーターの組み合わせで，放射線耐性が十分で性能を満たすものを作成できることが分かった。一方，表面から10㎝以内の全吸収型結晶カロリメーターでは，結晶シンチレーターの放射線耐性はLYSO等十分なものが存在するが，信号を読みだす光検出器は，小型で最も使いやすいシリコンPMでは放射線耐性が非常に悪く使えない。カロリメーター構造の要請から光電子増倍管を使うことも難しく，高放射線耐性の薄型光検出器の探索が求められることがわかった。これを受けて，シリコンPMより増倍率が低く，放射線耐性が高いアバランシェ光ダイオード(APD)を用いることを考えた。その放射線耐性を調べるため，本年度末に理研加速器で中性子をこれに照射した。この結果を測定するために，現在残留放射線が下がるのを待っているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画のうち，未達成のものはZDCカロリメーターに必要な放射線耐性の検証，具体的には結晶シンチレーターの読み出し光検出器の検証である。その研究のため，研究期間を延長した。すでに実際の1/10程度の放射線量を照射したAPDの暗電流，ノイズを測定し，まずはそのレベルの放射線下での照射後に使用に耐えうるかを調べる。暗電流が大きい場合でも，信号の性質を詳しく見ることでノイズの抑制が可能であるかを見ていく。また光量の非常に大きい結晶と組み合わせればノイズが許容できるかも調べる。
また当初の予定より発展したLHeCでの光子衝突については，LHeC のさらに将来計画である FCC での電子・ハドロン衝突での断面積も求めて，研究発表し，論文にまとめる予定である。
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| Causes of Carryover |
研究で未達である光検出器の放射線耐性に関する試験を行う。これについてAPDの照射試験のために理化学研究所などに出張する必要がある。また必要であれば追加の APD を購入する。また，発展課題の LHeC における光子対散乱による電弱相互作用の精密測定，新物理探索などを論文にしてまとめるが，これについて情報収集のため関連学会，研究会に参加する。
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