超高精度ヘリウム同位体比分析による中性子寿命の決定と原子核・宇宙物理学への貢献

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24654058
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 角野 浩史 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (90332593)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: ヘリウム / 同位体 / 中性子 / 質量分析 / J-PARCパルス中性子源

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、He同位体比（3He/4He比）測定に用いる希ガス質量分析計の徹底的な改良により、3He/4He比の絶対値を0.1%以下の確度・精度で決定可能な分析システムを構築する。これを用いて、現在J-PARCパルス中性子源で行われている中性子寿命測定実験で、中性子数を決定するために用いる検出器内のHeガスの3He/4He比を精確に求め、中性子寿命の高精度決定に貢献することを目標とする。
昨年度までに行った、様々な条件でのHe標準ガス（HESJ）の測定により、質量分析計による3Heの計数率が、検出器である二次電子増倍管の配置に大きく左右されることが分かった。そこで本年度は、代替の検出器としてマイクロチャンネルプレート（MCP）の導入を検討した。通常のMCPでは検出器の全面積に占めるチャンネル開口部の割合が60%程度であるため、検出効率が入射イオンの位置に大きく依存する。しかし開口部に加工を施し開口率を90%以上にすればこの問題は克服でき、従来の二次電子増倍管よりも広い範囲に入射するイオンに対して、高くかつ安定した効率でイオン検出が可能になると期待される。このようなMCPを浜松ホトニクスの協力を得て設計・製作した。製作に時間を要したために予察的な評価しかできなかったが、おおむね期待した性能が得られている。
また検出器の新規製作と並行して、中性子寿命測定に用いたガスとHESJを交互に複数回測定することで、3Heの検出感度の時間的変動の相殺を試みた結果、3He/4Heの相対的な決定精度は0.1%を下回った。これによりHESJの3He/4Heの絶対値そのものの確度が残された本質的な問題となったため、今後は高純度3Heと4Heガスから、高精度絶対圧真空計を用いて両者の混合比を精確に決めたHeガスを作成し、それを標準として中性子寿命測定用ガスの3He/4He比測定を行っていく予定である。

Research Products

• [Presentation] Neutron lifetime measurement with pulsed beam at JPARC: Overview (2014)
  • Author(s): K.Mishima, T.Yamada, N.Higashi, K.Hirota, T.Ino, Y.Iwashita, R.Katayama, M.Kitaguchi, R.Kitahara, H.Oide, H.Otono, R.Sakakibara, Y.Seki, T.Shima, H.M.Shimizu, T.Sugino, N.Sumi, H.Sumino, K.Taketani, G.Tanaka, S.Yamashita, H.Yokoyama, and T.Yoshioka
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
  • Place of Presentation: ハワイ島（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-10
• [Presentation] Neutron lifetime measurement with pulsed beam at J- PARC: TPC and DAQ (2014)
  • Author(s): T.Yamada, N.Higashi, K.Hirota, T.Ino, Y.Iwashita, R.Katayama, M.Kitaguch, R.Kitahara, K.Mishima, H.Oide, H.Otono, R.Sakakibara, Y.Seki, T.Shima, H.M.Shimizu, T.Sugino, N.Sumi, H.Sumino, K.Taketani, G.Tanaka, S.Yamashita, H.Yokoyama, and T.Yoshioka
  • Organizer: 4th Joint Meeting of the APS Division of Nuclear Physics and the Physical Society of Japan
  • Place of Presentation: ハワイ島（アメリカ合衆国）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-10
• [Presentation] J-PARC/BL05中性子寿命測定実験：系統誤差の評価 (2014)
  • Author(s): 山田崇人，片山領，東直，横山晴道，角野浩史，三島賢二，山下了，榊原理紗，杉野智昭，広田克也，清水裕彦，北口雅暁，田中元気，角直幸，音野瑛俊，吉岡瑞樹，北原龍之介，岩下芳久，生出秀行，嶋達志，関義親，竹谷薫，猪野隆
  • Organizer: 日本物理学会 2014秋期大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学（佐賀県佐賀市）
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] J-PARC/BL05中性子寿命測定実験：中性子フラックスの決定 (2014)
  • Author(s): 三島賢二，山下了，山田崇人，片山領， 東直，横山晴道，角野浩史，榊原理紗，杉野智昭，広田克也，清水裕彦，北口雅暁，田中元気，角直幸，音野瑛俊，吉岡瑞樹， 北原龍之介，岩下芳久，生出秀行，嶋達志，関義親, 猪野隆，竹谷薫
  • Organizer: 日本物理学会 2014秋期大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学（佐賀県佐賀市）
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21