Performance upgrade of the background identification in the experiment of the muon rare decay search

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01117
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 深尾 祥紀 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 (80443018)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: SiC半導体検出器 / ミュー粒子ビームモニター / 耐放射線 / 稀崩壊事象探索

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続きシミュレーションによる検出器の設計を進めた。前年度では、検出器を導入することによるビーム粒子の減少量、SiC半導体センサーに入射するミュー粒子数の見積もりなど、基礎的な情報についてシミュレーションを用いて評価した。今年度では、より現実的な設定によるシミュレーションを行い、検出器の設計に反映させている。SiC半導体センサーに入射したミュー粒子が誘起する電気信号の大きさと時間特性を考慮した。これに加え、実際に予想されるミュー粒子ビームの空間的、時間的なプロファイルを考慮することにより、SiC半導体センサーによるアナログ電気波形を模擬した。これをもとにフロントエンド回路の最適化を行った。
フロントエンド回路の仕様が定まりつつあることを受けて、バックエンド回路の開発に着手した。フロントエンド回路からはSiC半導体センサーからのアナログ信号波高をデジタル化した信号が転送されてくる。バックエンド回路では、このデジタル信号を受け取り、加工したうえでコンピューターに送ることで、信号をデータとして記録する。今年度ではバックエンド回路の選定を行い、FPGAにプログラミングすることで、本検出器のための最適化を行った。
本研究で開発するビームモニター検出器は、超電導電磁石の内部で大強度のビームを測定する。このため、超電導電磁石による低温環境化での動作、大強度ビームに対する放射線耐性が必要である。低温環境試験のために、フロントエンド回路を液体窒素を用いて冷却し、低温環境下における動作を試験した。その結果、予想される温度よりも十分に低い温度においても動作することを確認した。放射線耐性の評価としては、ガンマ線、および中性子線による照射試験を行い、使用可能な部品の選定を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ビームモニター検出器の開発においては、シミュレーションによって予想される性能の評価を行い、それをもとに検出器の仕様を決定し、制作を行っている。研究を進めていくにつれ、新しい情報が得られるにしたがって、ビームモニター検出器の仕様を変更しつつ、開発を進めている。
COMET実験が行われる予定のJ-PARCハドロン実験施設において、COMET実験のためのビームコミッショニング運転が初めて行われた。このビーム運転では、すでに設置されているCOMET実験装置の一部を使用して、ミュー粒子ビームの測定も行われた。ここで得られた情報をもとにフロントエンド回路の最適化を行っている。特にビーム強度のばらつきが大きく、それに伴ってフロントエンド回路に要求される信号量の大きさに対して調整を行っている。
本研究で開発するミュー粒子ビームモニターは、COMET実験の検出器群の中では最上流に設置される。設置場所のスペースは限られており、他の検出器とのスペースの取り合いに注意する必要がある。他の検出器の開発も進んでおり、COMET実験全体としての検出器の一体化の議論が本格化してきた。それに伴い、ミュー粒子ビームモニターについても、設置方法についての調整を行っている。

Strategy for Future Research Activity

研究状況について若干の遅れはあるものの研究方針について大きな変更は必要ない状況である。これまでの研究・開発により、本研究で開発するビームモニター検出器の詳細な設計はほぼ固まっている。これまで、SiC半導体センサーを取り付けるSiCセンサー基板の製作、フロントエンド回路の設計および試作機の製作およびその性能評価、バックエンド回路の選定およびFPGAへのプログラミング、などを行っており、検出器全体の一通りの機器がある程度そろった状態である。今後は、それぞれの要素の試験、性能評価を進めつつ、全体を一つにしてのチェーン試験を行っていく。次の大きな目標は、本番に近い状況のミュー粒子ビームを実際にビームモニター検出器に照射し、その応答を調べ、本番での動作を模擬することである。
まずは、SiCセンサー基板に実際にSiC半導体センサーを取り付け、ワイヤーボンディングを行い、その信号をフロントエンド回路で読み出すことを進める。フロントエンド回路は、最終形に向けて試作機の評価を進め、並行して改良版の設計・制作を行う。特に、ミュー粒子による信号の大きさと回路が持つノイズの大きさを評価し、最終的なビームモニター検出器の性能を見極める必要がある。バックエンド回路では、基礎的な動作は組み込めているものの、J-PARC加速器およびCOMET実験全体と統合するためのインターフェースの実装を行う必要がある。また、本番のビーム測定に向けて、適切なデータ量、データ構造となるように最適化を行っていく。
制作したビームモニター検出器をCOMET実験本体にインストールするための準備作業を進める。そのためのサポート構造体の設計・制作を進め、インストール手順についても検討を進める。