Study of Nuclear Emulsion production for precise measurements of neutrino properties

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 18H05541
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 佐藤 修 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 特任講師 (20377964)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小川 了 東邦大学, 理学部, 教授 (10256761) ; 青木 茂樹 神戸大学, 人間発達環境学研究科, 教授 (80211689) ; 小松 雅宏 名古屋大学, 教養教育院, 准教授 (80345842) ; 有賀 智子 (古川) 九州大学, 基幹教育院, 助教 (00802208) ; 森島 邦博 名古屋大学, 理学研究科, 特任助教 (30377915) ; 渋谷 寛 東邦大学, 理学部, 教授 (40170922)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥103,350,000 (Direct Cost: ¥79,500,000、Indirect Cost: ¥23,850,000); Fiscal Year 2022: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000); Fiscal Year 2021: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000); Fiscal Year 2020: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2019: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2018: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: 原子核乾板 / ニュートリノ / 精密測定 / エマルジョン / エマルション

Outline of Annual Research Achievements

名古屋大学F研究室内に既存の原子核乳剤製造装置に比べ10倍生産量の原子核乳剤装置群の建設を目的に推進している。富士フィルムOBの大関勝久、桑原謙一、両氏を交え名古屋大学F研の構成員とで進行状況を2週間に一度の会議で確認しつつ装置の建設を行っている。2019年度は原子核乳剤の臭化銀結晶生成を担うメインタンク部分の建設・一バッチの乳剤を制作した。これにより、荷電粒子に対する感度、ノイズ量を確認し、従来の製造装置で作成されたものに比べ同等であることを確認した。

乳剤製造では純水を用いるためイオン交換樹脂による純水装置を導入、メインタンクに原料となる硝酸銀、臭化銀を精密に入れるシリンダーピストンの条件出しを修士学生と名大装置開発室技官の伊藤氏で行った。同時にメインタンクの液温をコントロールし時間とともに目的の温度に追従するようにPID制御条件を調整した。2019年の年末までにメインタンクとその後の余分なイオンを除く（脱塩）水洗タンク、原子核乳剤の感度増加のための化学増感（後熟）タンクの整備を行った。また1回の乳剤製造プロセスで排出される廃液処理の合理化、廃液タンク類の整備を行った。メインタンクでのプロセスができるようになった。
年末にメインタンクで作成した原子核乳剤の脱塩、後熟を既存の装置で行うことでメインタンクでの臭化銀作成が既存のものに対してそん色ないこと結晶の大きさおよび原子核乾板としての荷電粒子に対する感度で示した。その後メインタンクから水洗タンク、さらに熟成タンクへの原子核乳剤の液送パイプの配管設計・敷設を行い、純水での液送試験を始めるところである。生成途中の原子核乳剤の銀電位測定系の整備、廃液系統の整備を進めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新規開発したメインタンクによる臭化銀結晶作成試験で既存の装置と同等の結晶が作成でき、原子核乾板にして荷電粒子の感度が既存装置によるものと同等であることが確認できている。メインタンクでのプロセス以降の脱塩タンク、熟成タンクの設置まで済んでおり、個別の稼働テストが間もなく開始できる状態になっている。プロセスのタンク間の原子核乳剤の移液に関して配管設計と一部の敷設が完了しており、間もなく一連の移液試験を行うところであり2020年度内の量産体制の確立は可能である。
また原料の配合・調液のための設計を開始しはじめ大量生産に合わせて調液室の整備を行う。これには富士フィルムOBの桑原氏が担当することで問題なく整備ができる。廃液処理の大学内処理の担当部局及び廃液業者との議論、廃液のペーハー測定、有害物質の分析を済ませおり、大きな問題は見つかっていない。作成された原子核乳剤の保存庫の整備も始めており大量生産に同期して稼働させることで対応する。原子核乾板の塗布装置の整備も進んでおり原子核乾板の供給体制の構想が形になってきている。

Strategy for Future Research Activity

メインタンクでのプロセス後の脱塩タンク、熟成タンクでのプロセスの個別試験を行う。その後タンク間の移液の手順の確認を行い、問題点があれば改良し一連のプロセスを通して行うことを2020年度の最初に行う。この際に装置群の設置されている暗室を完成させる。一連のプロセスにより作成された原子核乳剤を塗布し原子核乾板としての性能を荷電粒子に対する感度、ノイズ特性を測定して行う。さらに初期性能だけではなく長期試験を行い感度劣化性能を既存の装置で作成されたものと比較し問題のないことを確認する。原料の調合室を整備し、調合マニュアルの作成を行う。作成後の乳剤保管庫を整備し大量生産試験に移る。乳剤の塗布はまずベース基材のコロナ放電加工試験を完了し、小規模な塗布試験から始め、平置きタイプの塗布装置完成を目指して乾燥のための温度・送風スピードの調整を行う。一方で2021年度より稼働する予定の次世代高速飛跡読み取り装置（HTS-II）では光学特性が変わることが予想されるため、読み取り効率の良い原子核乾板のレシピ(特に臭化銀のサイズの最適化)を作り上げ、実際にニュートリノ実験で原子核乾板を使うユーザーとなる分担研究者には各実験での使用条件に耐える原子核乾板になっているか、少量のサンプルで試験をしてもらい感度や経時特性をフィードバックをもらう予定である。また原子核乾板の長期特性の改善は全ての原子核乾板を用いる研究に重要であるため研究期間を通して継続して行う。

Research Products

• [Journal Article] DsTau: Study of tau neutrino production with 400 GeV protons from the CERN-SPS (2020)
  • Author(s): S. Aoki, A. Ariga, T. Ariga, 他27名
  • Journal Title: JHEP Volume: 33 Pages: 033-033
  • DOI: 10.1007/jhep01(2020)033
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detecting and Studying High-Energy Collider Neutrinos with FASER at the LHC (2020)
  • Author(s): H. Abreu et al,(FASER Collaboration)
  • Journal Title: European Physical Journal C Volume: 80 Pages: 61-61
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-7631-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CERN SPSを用いたタウニュートリノ測定と新物理探索： SHiP計画＋DsTau/NA65実験 (2020)
  • Author(s): 有賀昭貴, 有賀智子, 小松雅宏, 佐藤修, 吉本雅浩
  • Journal Title: 高エネルギーニュース Volume: Vol38. No4 Pages: 115-123
  • Open Access
• [Journal Article] GRAINE Project, Precise Observations of High-energy Cosmic Gamma-rays with Balloon-borne Emulsion Telescope (2019)
  • Author(s): 青木茂樹, 高橋覚, 六條宏紀 for GRAINE collaboration
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 68 Issue: 12 Pages: 877-891
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.68.877
  • NAID: 130007761353
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a balloon-style pressure vessel gondola for balloon-borne emulsion gamma-ray telescopes (2019)
  • Author(s): H. Rokujo, M. Komiyama, S. Aoki, K. Hamada, T. Hara et al.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 14(2019)09
  • DOI: 10.1088/1748-0221/14/09/p09009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Final results on neutrino oscillation parameters from the OPERA experiment in the CNGS beam (2019)
  • Author(s): N. Agafonova, T. Fukuda, T. Matsuo, S. Mikado, S. Ogawa, H. Shibuya et al. (OPERA Collaboration)
  • Journal Title: Phys.Rev.D Volume: 100 Pages: 051301-051301
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.051301
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Final Results of the OPERA Experiment on ντ Appearance in the CNGS Neutrino Beam (2018)
  • Author(s): N. Agafonova, T. Fukuda, T. Matsuo, S. Mikado, S. Ogawa, H. Shibuya et al. (OPERA collaboration)
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Pages: 11801-11801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.211801
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Final results of the search for νμ → νe oscillations with the OPERA detector in the CNGS beam (2018)
  • Author(s): N. Agafonova, T. Fukuda, T. Matsuo, S. Mikado, S. Ogawa, H. Shibuya et al. (OPERA collaboration)
  • Journal Title: J. High Energy Phys. Volume: 2018 Pages: 151-151
  • DOI: 10.1007/jhep06(2018)151
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Nuclear Emulsion Detector for the Muon Radiography of a Glacier Structure (2018)
  • Author(s): Ariga Akitaka、Ariga Tomoko et.al.
  • Journal Title: Instruments Volume: 2 Pages: 1-13
  • DOI: 10.3390/instruments2020007
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A cold/ultracold neutron detector using fine-grained nuclear emulsion with spatial resolution less than 100 nm (2018)
  • Author(s): Naganawa N.、Ariga T. et.al.
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 78 Pages: 959-959
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6395-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] First demonstration of gamma-ray imaging using balloon-borne emulsion telescope (2018)
  • Author(s): Hiroki Rokujo, et al.
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: publishing
  • DOI: 10.1093/ptep/pty056
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GRAINE project, prospects for scientific balloon-borne experiments (2018)
  • Author(s): Takahashi Satoru、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Advances in Space Research Volume: 62 Pages: 2945-2953
  • DOI: 10.1016/j.asr.2017.08.029
  • NAID: 120006545975
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 高精度原子核乾板検出器の開発 (2020)
  • Author(s): 眞部祐太, 森島邦博, 西尾晃, 久野光慧, 干潟紘太郎, 榊原亜美, 北川暢子
  • Organizer: 日本物理学会 2020年年次大会
• [Presentation] 次期原子核乾板実験のための大規模原子核乳剤製造装置の立ち上げ (2020)
  • Author(s): 石塚唯和、六條宏紀、伊藤和也、渡部僚、中村光廣、中野敏行、佐藤修、小松雅弘、長縄直崇、森島邦博、福田努、大関勝久、桑原謙一
  • Organizer: 日本物理学会 2020年年次大会
• [Presentation] 原子核乾板の自動塗布設備構築に向けた研究(2) (2020)
  • Author(s): 杉村昂、六條宏紀、中村光廣、長縄直崇
  • Organizer: 日本物理学会 2020年年次大会
• [Presentation] LHC-FASER 実験におけるニュートリノ研究: テストランでのニュートリノ反応検出とRun3 に向けた実験準備 (2020)
  • Author(s): 有賀 智子, 有賀 昭貴, 中野 敏行, 音野 瑛俊, 佐藤 修, 田窪 洋介, 他 FASER Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2020年年次大会
• [Presentation] Study of ta-neutrino production at the CERN SPS (2019)
  • Author(s): O. Sato
  • Organizer: NUFACT2019 (The 21st International Workshop on Neutrinos from Accelerators)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of TeV neutrinos in the FASER experiment at the LHC (2019)
  • Author(s): T. Ariga
  • Organizer: The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of neutrino charged current interactions on iron in the NINJA experiment (2019)
  • Author(s): H.Oshima et.al (NINJA Collaboration)
  • Organizer: TAUP2019 (16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Upgrading of momentum measurement techniques in emulsion-based particle detectors (2019)
  • Author(s): T.Matsuo et.al (NINJA Collaboration)
  • Organizer: ICMaSS 2019 (International Conference on Materials and Systems for Sustainability)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAINE Project: Balloon-borne Gamma-ray Telescope with Nuclear Emulsion (2019)
  • Author(s): S. Aoki for GRAINE Collaboration
  • Organizer: ICMaSS 2019 (International Conference on Materials and Systems for Sustainability)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAINE 計画: ロードマップと次期豪州気球実験 (2019)
  • Author(s): 青木茂樹 （GRAINE Collaboration）
  • Organizer: 大気球シンポジウム
• [Presentation] NINJA実験の物理ランに向けた準備状況と今後の展望 (2019)
  • Author(s): 鈴木陽介 他NINJA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] SHiP実験に向けたコンパクトエマルションスペクトロメーターの開発 (2019)
  • Author(s): 鶴岡千穂 他SHiP Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [Presentation] 400GeV陽子ビームダンプによるタウニュートリノ生成研究（DsTau実験）の現状報告 (2019)
  • Author(s): 佐藤 修
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Study of tau neutrino production property with measuring open-Charm at 400 GeV proton beam dump (2018)
  • Author(s): O.Sato
  • Organizer: XXVI International Workshop on Deep Inelastic Scattering and Related Subjects (DIS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Final results from the OPERA experiment in the CNGS neutrino beam (2018)
  • Author(s): O.Sato
  • Organizer: 14th Recontres du Vietnam, INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NEUTRINO FRONTIER
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DsTau experiment and introduction to SHiP (2018)
  • Author(s): O.Sato
  • Organizer: 14th Recontres du Vietnam, INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NEUTRINO FRONTIER
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study of tau-neutrino production at the CERN SPS (2018)
  • Author(s): T.Ariga
  • Organizer: 39th International Conference on High Energy Physics (ICHEP2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAINE project: precise gamma-ray observation with balloon-borne emulsion telescope (2018)
  • Author(s): H.Rokujo
  • Organizer: 20th Intern. Symp. on Very High Energy Cosmic Ray Interactions (ISVHECRI 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] GRAINE project and a 2018 balloon-borne experiment (2018)
  • Author(s): S.Takahashi
  • Organizer: 42nd Scientific Assembly of the Committee on Space Research (COSPAR)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] タウニュートリノ生成研究 (DsTau実験): 2018年pilot runの実施報告と解析の展望 (2018)
  • Author(s): 有賀 智子
  • Organizer: 日本物理学会
• [Remarks] F研 基本粒子研究室
  • URL: http://flab.phys.nagoya-u.ac.jp/2011//
• [Remarks] ニュートリノで拓く素粒子と宇宙
  • URL: https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/nucosmos/index.html
• [Remarks] Ｆ研 基本粒子研究室
  • URL: http://flab.phys.nagoya-u.ac.jp/2011//