2021 Fiscal Year Research-status Report

Development of new scintillation detector towards determination of the spin and parity of the KbarNN

Research Project

Project/Area Number	21K13952
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	山我拓巳国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 特別研究員 (80830306)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2023-03-31
Keywords	反K中間子原子核 / 中性子検出器 / 陽子ポラリメータ
Outline of Annual Research Achievements	反K中間子と原子核の束縛状態である「反K中間子原子核」のうち、最も軽い系であるKbarNN束縛状態の測定実験を計画している。本研究では、荷電中性のKbarNN状態がΛn対に崩壊する事象を捕らえるための中性子検出器と、荷電+eのKbarNN状態のΛp崩壊におけるスピン相関測定のための陽子偏極測定器が一体となった検出器の開発を進めている。検出器は中性子の検出及び陽子偏極測定のための２次散乱を引き起こすためのバルク層と、２次散乱陽子の散乱角度測定のためのトラッキング層の2層からなる。本年度は特に、トラッキング層についての開発と試験を行った。散乱角度を十分な精度で測定するために、トラッキング層では1mm程度の位置分解能が必要である。この分解能を達成するために、太さ1mmのシンチレーションファイバーを用いることを検討していたが、読み出しチャンネルが非常に多く高価になってしまう問題点があった。そこで、代替品の可能性として、プラスチックシンチレータに複数の波長変換ファイバーを埋め込んだ試作機の開発を行った。荷電粒子が通過した際のシンチレーション光を電気信号として読み出した。長さ方向の位置は、各ファイバーの両端のMPPCにおける発光量の差、及び検出時間の差の２つの独立な測定から求める。一方幅方向の位置は、最も発光量が多いファイバーとそれに隣接するファイバーの発光量の比で求める。製作した試作機はJ-PARCハドロン実験施にてビーム照射実験を行い、性能を評価した。残念ながらこのような構成の検出器では目的の1mm程度の位置分解能を達成するのは困難であることが分かった。本結果から、トラッキング層はシンチレーションファイバーを用いる構成と決定し、実験で用いる検出器群全体の基本設計を完了した。また、これらをまとめJ-PARC実験採択委員会に実験プロポーザルを提出した(J-PARC P89実験)。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 測定感度を見積もるための詳細なシミュレーションを行った結果、研究開始当初に想定していた検出器構成では十分な陽子２次散乱事象数が得られないことが分かった。そこで、基本設計を再度行い、十分な散乱事象を得るために最適な構成を検討した。検討の結果、ファイバー層に必要な読み出しチャンネル数を従来の３倍程度にすることとした。読み出しチャンネル数が膨大であるため、これまで想定していたシンチレーションファイバーを用いた構成とは別の構成でチャンネル数の低減が可能か検討を新たに行った。またこの検討から、目標性能を得るためにはシンチレーションファイバーが必須であることが分かった。以上の検討により、全体の検出器構成を再設計したため、想定よりもやや進捗が遅れている。
Strategy for Future Research Activity	再設計した検出器構成のもとで、試作機開発を行う。特にシンチレーションファイバーを用いるトラッキング層の開発を行う。トラッキング層は~3mの長さで直径1m~2mの円筒型のレイヤーを複数持つ。光検出器までの取り回しを考えると、~4mのシンチレーションファイバーが必要となるが、一般的なシンチレーションファイバーの減衰調が同程度のため、必要な光量が確保できるかが問題となる。そこで、>4mの長さのシンチファイバーを複数本束ねたリボン状の試作機を作製し、発光量の確認を行う。また、直径が比較的大きいため、ファイバーを円筒型に固定する方法を試作を行いながら確立する。
Causes of Carryover	検出器の構成に変更が必要であることが分かったため、試作機製作に先んじて、詳細なシミュレーションによる見積もりを優先して行ったため、一部の試作機製作意外の予算を次年度に繰越した。前年度の試作機開発とシミュレーションによる検討から、検出器の構成が決定したので、それをもとに新たな試作機の開発および性能評価を行い、開発を完了する。