2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a vacuum compatible ultra-light spectrometer to explore the new physics with high intensity muon beam
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21H04482
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
西口 創 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (10534810)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / 放射線検出器 / ガス検出器 / ミューオン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
素粒子標準理論を超える新物理に優れた感度があると期待されるミューオン=電子転換過程探索実験の感度を向上させるため、飛跡検出器の高感度化を目指す。特に、同過程の信号事象は105MeVという低エネルギー電子であるため、飛跡検出器の構成素材の低物質量化が実験高感度化の鍵を握る。そこで本研究では、先に準備研究で実現した真空中で動作可能な20ミクロン厚・9.5mm径ストローによる比例計数管を多数実装して大型化した、「真空中で動作可能な飛跡検出機」を複数製作し、ミューオン=電子転換過程探索実験における電子分光計の準備を完了することを目指す。また、準備研究では実現に及ばなかった12ミクロン厚・5mm径という薄膜・小口径ストロー比例計数管を実現し、究極の軽量化飛跡検出器の実現を目指す。これにより、J-PARCで実施予定のミューオン=電子転換過程探索実験の感度を最終的に10,000倍向上させることを目指す。そのため、20ミクロン厚・9.5mm径の導電性薄膜ストローを用いた飛跡検出器を建設する。飛跡検出器に導電性薄膜ストローを実装する際、ストロー膜は検出器の電極を構成するため、その位置は精度良く実装される必要がある。しかし、20ミクロンという薄膜であるため、その位置精度を保証するためには適正な張力を印加する必要があり、準備研究の結果、ストロー1本あたりおよそ1kGの張力が必要となる。飛跡検出器には1機あたり480本のストローが実装されるため、大きな応力が生じることになる。そこで、ストローを多数実装するための圧力容器が必要になるため、R4年度までに、この圧力容器と、圧力容器内にストローを精度良く保持するための位置保証ジグを3号機分製作した。ストローの実装はこれをただちに開始し、検出器の製作は順調に進んでいる。また、完成した1号機を用いたビーム照射試験、並びに基礎性能評価等を実施した。
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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
R4年度には、ストロー飛跡検出器1号機が完成し、同時期にJ-PARCハドロン実験施設に完成したCOMET実験用1次陽子ビームラインの試運転に併せて、陽子から生成された2次ビーム照射試験をR5年春に実施し、初めてのビーム由来信号を成功裡に検出した。このビームライン試運転は、J-PARC加速器の都合により当初予定よりも遅れたため、飛跡検出器１号機を効率よく照射試験するための改造をR4年度からの繰越経費で実施し、無事に照射試験が完了した。この試運転の結果、信号読出し回路等にさまざまな課題が見つかったため、それらの改良補修を進めると同時に、1号機へ放射線源からのベータ線を照射することで、ガス増幅率や固有位置分解能等の基礎性能評価を実施し、検出器動作の理解が進んだ。並行して2号機及び3号機の建設も順調に進んでいる。
一方、将来の更なる薄膜化・小径化に向けた開発研究も進み、12ミクロン厚・5mm径ストローサンプルの力学的試験を進め、これらをプロトタイプ検出器としてアセンブルしている。この新しく開発したストローの基礎特性を報告する論文を準備し、既に学術誌（NIM-A）に投稿、現在査読プロセス中である（プレプリントには投稿済み）。
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| Strategy for Future Research Activity |
R6年度は引き続き飛跡検出器2/3号機の建設を進める。また、ビーム照射試験の結果を受けたフィードバックとして1号機の改良を実施する。併せて、これらの飛跡検出器を最終的に真空中で運用するための回路冷却機構を完成させ、1/2/3号機併せて最終的に運用する手順を確立することが、R6年度の最終目標となる。
また、並行して昨年度進めた新ストロー（12ミクロン厚・5mm径）を複数実装したプロタイプ検出器を完成させ、放射線源からの放射線または宇宙線を用いた基礎性能評価を実施する。
R6年度は本研究最終年度となるため、本研究の成果を取りまとめる。
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