超高エネルギーハドロンコライダー実験(SDC)のための液体カロリメターの共同実験

• 研究課題/領域番号: 03044018
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 湯田 春雄 東北大学, 理学部, 教授 (90108457)
• 研究分担者: 増田 公明 埼玉衛生短期大学, 講師 (40173744) ; 星 善元 東北学院大学, 物工, 助教授 (80146117) ; 菊地 柳三郎 京都大学, 理学部, 助手 (10025356) ; 長嶺 忠 東北大学, 理学部, 助手 (30212111) ; 末包 文彦 東北大学, 理学部, 助手 (10196678) ; 阿部 浩也 東北大学, 理学部, 助教授 (60004412) ; 谷森 達 東京工業大学, 理学部, 助教授 (10179856) ; 渡辺 靖志 東京工業大学, 理学部, 教授 (40126199) ; 樋口 正人 東北学院大学, 物工, 教授 (60048791) ; 宮野 和政 新潟大学, 理学部, 教授 (10011529) ; 海野 義信 高エネルギー物理学研究所, 物理, 助教授 (40151956) ; 近藤 敬比古 高エネルギー物理学研究所, 物理, 教授 (30150006) ; 長谷川 勝夫 東北大, 理学部, 助教授 (70004463) ; 岩崎 博行 高エネルギー物理学研究所, 物理, 助手 (40151724) ; 小川 和男 高エネルギー物理学研究所, 物理, 助教授 (10113416)
• 研究期間 (年度): 1991 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 12,500千円 (直接経費: 12,500千円); 1993年度: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円); 1992年度: 4,500千円 (直接経費: 4,500千円); 1991年度: 4,000千円 (直接経費: 4,000千円)
• キーワード: ハドロンコライダー / SSC / 粒子検出器 / カロリメーター / 液体アルゴンカロリメーター / 室温液体カロリメーター / 素粒子実験 / ハドロンコライダ- / カロリメ-タ- / 液体アルゴンカロリメ-タ- / 室温液体カロリメ-タ-

研究概要

米国テキサス州に建設予定であった超高エネルギーハドロンコライダーSSCは衝突エネルギー40兆電子ボルト(40TeV)の陽子・陽子衝突型加速器であり、超高エネルギー領域における陽子・陽子衝突現象を研究することを目的として計画が進められてきた。このSSC加速器の実験の一つであるソレノイダル検出器(SDC)には国内から約90名が参加する大型国際共同実験であり、数研究機関が共同して検出器各部の開発研究を推進していた。
本研究はSSC実験のための検出器(SDC)の国際共同開発研究として、米国の関係研究機関と共同して、検出器の1つの部分であるカロリメーターについて、アルゴン液体と室温液体を用いて(1)ビームテスト用モデュールを製作し、(2)ビームテストを遂行し(3)性能検査試験を行い、液体カロリメーターについて(1)エネルギー分解能・線形性、(2)電子・ハドロン信号比e/h=1、(3)耐放射線強度、(4)信号の早い読み出し、(5)安全性について検討・評価を得る事を目的として実施された。
初年度はブルックヘブン研究所及びフェルミ-研究所でそれぞれ液体アルゴンカロリメーター、室温液体TMPカロリメーターのビームテスト実験が実施された。前者は高速信号読出し、又後者はe/h=1の可能性を調べることを主目的として実施された。このため、ブルックヘブン研究所へは、2名、フェルミ-研究所へは8名、データ解析のため、スタンフォード研究所へ2名、合計12名が派遣された。
平成4年度は室温液体カロリメーターの耐放射線テスト実験と、それぞれのビーム・テスト実験で収集されたデータの解析を中心に研究打合せのため6名、ビーム・テスト実験のため1名の研究者の派遣、国内での全体打合せのため米国研究機関より3名の研究者の招聘を行い、カロリメーターについての(1)エネルギー分解能・線形性、(2)e/h=1、(3)耐放射線強度についての解析を進めた。
平成5年度は室温液体カロリメーターの耐放射線テスト実験の継続とデータ解析のための打合せのために計5名の研究者、検出器調査のために2名の研究者の派遣を行った。
以上の研究から主な研究成果をまとめると以下のようになる。
1)室温液体ハドロンカロリメーター
a) エネルギー線型性は10GeVから100GeVの範囲で3%以内、
b) エネルギー分解能は100GeV/cにおいて、σ/E(e)=4.9%、σ/E(h)=13%、
c) e/h=1.1(吸収体鉛の場合)。しかし印加電場を上げて、Birk's Constantを大きくすると、e/hは更に1に近づけることが可能。
d)耐放射線強度については印加電場を20KV/cmに上げると信号減衰3%、
従って、SDCの胴体部のカロリメーターとしては使用可能であるが、高純度の液体が要求されるため、大型カロリメーターを製作する上では、未だ、開発研究が必要である。
2)液体アルゴンハドロンカロリメーター
a)アルゴンカロリメーターは多くの実験で安定に動作することが実証されているが、液体冷却のための死角空間があること、読出し時間が長いことが問題とされていた。ここでは、読出し時間の高速化を計るため、バイポーラ・シェ-ピング回路を用いて実験を行ったが、時間分解能9.3nsを使った。
b)エネルギー分解能は σ/E(e)=(21.8±0.4)/√<E>+(0.0±0.2)%
σ/E(h)=(61.6±0.6)/√<E>+(3.3±0.4)%
結論として、シェ-ピング時間100nsを用いると、SSC実験において、パイルアップ効果は問題がない結果を得た。
SSC加速器建設は平成5年10月に中止と決定されたが、科学研究費補助(国際学術研究)により、研究成果をまとめることができ素粒子物理に関する極めて重要な成果を得たこと、また、国際共同実験を通じてより友好的な国際協力研究が実現されたこと、心から感謝する次第である。

研究成果

• [文献書誌] Y.Unno et al.: "Design of a Liguid Argon Calorimeter for SDC" Proceedings of the International Workshop on Solenoidal Detectors for the SSC,KEK,Japan. 345-374 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Ichinose et al.: "The response of a Liguid Xe Ionization Chamber to 5.3MeV α-particles" NIM. A305. 111-115 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Masuda et al.: "Measurement of a liquid Xe scintillation from heavy ions using a silicon photodiode" NIM. A309. L489-L496 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Yuta et al.: "Signal Observation from a pulsed Ionization chamber filled with Tetramethyl Germanium" Japanese Journal of Applied Physics. 30. 525-527 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] B.Aubert et al.: "Compensation Studies of a Lead/TMP Calorimeter" NIM. A313. 357-366 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Doke et al.: "Liquid rare gas Calorimeter with excellent energy resolution" NIM. A316. 58-66 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Ichinose et al.: "Energy resolution for gamma-rays and electrons from ^<207>Bi in Liquid Xe doped with TEA" NIM. A322. 216-224 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Hasegawa et al.: "Photoionization of dopants in liquid argon-xenon mixture" NIM. A327. 57-59 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Masuda et al.: "Characteristics of an ionization chamber using tetramethyl germanium" NIM. A327. 134-137 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Chen et al.: "Homogeneous scintillating LKr/Xe calorimeter" NIM. A327. 187-192 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] B.Aubert et al.: "Studies of Compensation of Iron/TMP and Lead/TMP Sampling Calorimeter" NIM. A334. 383-390 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Hoshi et al.: "Free-Ion Field For Tetramethylsilane and Tetramethylgermanium" IEEE. 40. 532-536 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Hoshi et al.: "Radiation Damage to Tetramethyl-silane and Tetramethylgermanium Ionization Chambers" IEEE. 41. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] G.S.Abrams et al.: "Performance of Lead-Liquid Argon Hadron Calorimeter with Fast Shaping Readout" NIM. (To be submitted). (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Unno et al.: "Design of a Liquid Argon Calorimeter for SDC" Proceedings of the International Workshop on Solenoidal Detectors for the SSC, KEK, Japan. 345-374 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Ichinose et al.: "The response of a Liquid Xe Ionization Chamber to 5.3MeV alpha-particles" NIM. A305. 111-115 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Masuda et al.: "Measurement of a liquid Xe scintillation from heavy ions using a silicon photodiode" NIM. A309. 489-496 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Yuta et al.: "Signal Observation from a pulsed Ionization chamber filled with Tetramethyl Germanium" Japanese Journal of Applied Physics. 30. L525-L527 (1991)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.Aubert et al.: "Compensation Studies of a Lead/TMP Calorimeter" NIM. A313. 357-366 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Doke et al.: "Liquid rare gas Calorimeter with excellent energy resolution" NIM. A316. 58-66 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Ichinose et al.: "Energy resolution for gamma-rays and electrons from ^<207>Biin Liquid Xe doped with TEA" NIM. A322. 216-224 (1992)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Hasegawa et al.: "Photoionization of dopants in liquid argon-xenon mixture" NIM. A327. 57-59 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Masuda et al.: "Characteristics of an ionization chamber using tetramethyl germanium" NIM. A327. 134-137 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Chen et al.: "Homogeneous scintillating LKr/Xe calorimeter" NIM. A327. 187-192 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.Aubert et al.: "Studies of Compensation of Iron/TMP and Lead/TMP Sampling Calorimeter" NIM. A334. 383-390 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Hoshi et al.: "Free-Ion Field For Tetramethylsilane and Tetramethyl-germanium" IEEE. 40. 532-536 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Hoshi et al.: "Radiation Damage to Tetramethylsilane and Tetramethyl-germanium Ionization Chambers" IEEE. 41. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] G.S.Abrams et al.: "Performance of Lead-Liquid Argon Hadron Calorimeter with Fast Shaping Readout" To be submitted to NIM. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B.Aubert et al: "Compensation Studies of a Lead/TMP Calorimeter" Nucl.Instr.Methods. A313. 357-366 (1992)
• [文献書誌] H.YUTA et al: "Signal Observation from a pulsed Ionization chamber filles with Tetramethyl Germanium" Japanese Journal of Applies Physics. 30. L525-L527 (1991)
• [文献書誌] K.MASUDA et al: "Measurement of a liquid Xe scintillation from heavy ions using a silicon photodiode" Nucl.Instr.and Meth.A309. 489-496 (1991)
• [文献書誌] T.Doke et al: "Sampling Calorimeter for High Energy Heavy particles filles with Allen-doped liquid Argon" Nucl.Instr.and Meth.A302. 290-300 (1991)
• [文献書誌] H.ICHINOSE es al: "Energy resolution for ganma-rays and electrons from^<207> Bi in Liquid Xe dopes with TEA" Nucl.Instr.and Meth.A322. 216-224 (1992)
• [文献書誌] K.MASUDA et al: "Characteristics of an ionization chamber using tetramethyl germanium" Nucl.Instr.and Meth.(1993)
• [文献書誌] B.Aubert et al: "Studies of Compensation of Iron/TMP and Lead/TMP Sampling Calorimeter" Nucl.Instr.Methods. (1993)
• [文献書誌] B.Aubert et al: "Compensation Studies of a Leed/TMP Calorimeter" Nucl.Instr.& Methods. (1992)
• [文献書誌] H.Yuta et al: "Signal Observation from a pulsed Ionization chamber filled with Tetramethyl Germanium" Japanese Jounal of Applied Physics. 30. LS25-LS27 (1991)
• [文献書誌] K.Masuda et al: "Measurement of a liquid Xe scintillation from heavy ions using a silicon photodiode" Nucl.Instr.and Meth.A309. 489-496 (1991)
• [文献書誌] T.Doke et al: "Sampling Calorimeter for High Energy Heavy particles filled with Allen-doped liquid Aragon" Nucl.Instr.and Meth.A302. 290-300 (1991)