2020 Fiscal Year Research-status Report
Realization of a photon-photon collider and observation of light-by-light scatterings
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20K03999
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
高橋 徹 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 准教授 (50253050)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 実光子弾性散乱 / 光子ー光子衝突型加速器 / 電子陽電子対生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本申請による研究は，量子電磁気学において直接観測がなされていない，実光子弾性散乱の直接観測を目指している。そのための実験装置として光子－光子衝突型加速器を構築する。光子ー光子衝突型加速器は，新たな素粒子反応実験装置として考案されたが未だ実現されていない。
本申請は，実光子弾性散乱という量子電磁気学の研究であるとともに，光子ー光子衝突型加速器の実現によって素粒子実験の新たな手法を構築するものである。
2020年度は，実験装置の構築にむけた工学設計と実光子散乱過程の測定環境（実験パラメータ）の最適化を行った。
本実験では，実光子散乱の背景事象となる電子陽電子対生成事象が，信号事象（実光子散乱）の10万倍多く起こる。特に陽電子は検出器を構成する物質との反応によって信号事象と類似の光子対を生成する。そのため，電子，陽電子と光子を検出器によって識別することが実験成功の鍵となる。この実験で生成される電子や陽電子はその運動量が低く，従来の碑石検出器を用いることができない。したがって光子検出器（シンチレーター）からの信号を電気的に処理することによって，電子，陽電子と光子を識別する。2020年度は光子検出器としてGAGGとプラスチックシンチレータ，CsIとプラスチックシンチレータを組み合わせた検出器を構築し電子，陽電子と光子を識別性能と波形処理の系統的調査を行い，粒子識別の基礎データを得た。
これと平行して，信号事象と背景事象識別し信号事象を見いだすためのデータ解析を数値シミュレーションを用いて行った。特に光子ー光子衝突型加速器に用いるレーザー強度と測定器に印可する静磁場は，測定性能に大きく影響する。それらを変化させた場合の信号識別性能を系統的に調査した。その結果，これまで用いていた実験パラメータを最適化することによって測定精度を向上できることを見いだした。
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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
検出器による粒子識別性能の研究に関して，実際の検出器として計画されているCsIシンチレータ，GaGGシンチレータ，プラスチックシンチレータを入手し，それらを組み合わせた検出器を構築した。さらに放射線源を使って粒子識別にかかる基本性能を系統的に調べることができた。計画1年目として順調な成果である。
信号事象識別の最適化に関しては，磁場の印可による影響を磁場を変化させながら系統的に調査し，その結果を日本物理学会2020年度分科会において発表した。さらに，レーザー強度と磁場の両方の影響を調査しその結果をまとめるとともに新たな課題も見いだすことができた。
実験の実現について，中国科学院高能物理研究所を訪問して議論する予定であったが，新型コロナウイルスの影響により訪問は断念せざるを得なかった。それに変えて，データ解析手法の研究および，中国における実験実現可能性について遠隔ミーティングを行い意見交換を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
検出器による粒子識別性能の研究に関し，2020年度に構築したシンチレーション検出器の自動データ取得装置を構築する。これにはLabViewというシステムを用いる予定である。このシステムは2020年度に入手しデータ収集装置の作成にとりかかっている。これによって，高統計のデータ取得が可能となり，測定器性能の詳細な評価を行ことができる。
信号事象識別の最適化に関しては，2020年の研究によって最も大きな背景事象である電子陽電子事象に対する信号事象の識別最適化を行うことができたが，その過程において他の背景事象の削減の最適化が必要なことが判明した。2021年度はそれらを含めた最適化，および検出器の性能研究によって明らかになった粒子識別性能をシミュレーションに含むことを計画している。
2021年度も中国を訪問し直接研究者を打ち合わせを行うことは困難が想定される。必要に応じて遠隔ミーティングを行い実験の具体化について議論を行う。
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| Causes of Carryover |
2020年度は中国科学院高能物理学研究所訪問，および国際学会の出席が新型コロナウイルスの影響のため実施できなかった。
2021年は可能であれば中国科学院高能物理学研究所を訪問し関係研究者と直接議論したいと考えているが，不可能な場合は訪問は2022年に持ち越す。
また2020年度に執行できなかった予算の一部を用いて，検出器開発装置の高度化を行う予定である。
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