| 研究課題/領域番号 |
17J02178
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 国内 |
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| 研究分野 |
素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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| 特別研究員 |
清水 信宏 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2019年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | K中間子 / 中性子識別 / カロリメータ / ダークフォトン / 素粒子物理学 / 新物理探索 / KOTO |
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| 研究実績の概要 |
本年度は，中性子を起源とする事象を削減するために，KOTO検出器に用いられているCsI電磁カロリメータのアップグレードを行った。中性ビームであるKLビームラインには，KLだけでなく，大量のγや中性子も含まれている。特に，このビームの中心から滲み出た中性子が，検出器の上流のコリメータなどで散乱されCsIカロリメータに入ると，本来欲しい信号のように振舞ってしまい，背景事象となる。実際，本研究の信号であるπ0→γA'はもちろん，KL→π0νν崩壊の無視できない背景事象となっている。
そこで，中性子とγを弁別するために，CsI結晶の前面に，MPPC (Multi pixel photon counter)という光検出器を取り付けることにした。従来は，結晶の背面に取り付けられたPMT(photo multiplier tube)を用いてシンチレーション光を検出していたが，MPPCを新たに前面につけることにより，両者が観測した時間の差ΔT=T_MPPC-T_PMTから，発光点の深さを知ることができる。γはCsI結晶の浅い部分で、エネルギーを落とすのに対し，中性子は結晶の内部で一様に反応することが知られているから，ΔTの値を用いて中性子とγの弁別が可能となる。
安定に，均質な品質を保ちながら接着するために，特別な冶具を設計した。接着剤が硬化している間に不用意な振動が加わっても，適切に押し付けが保たれるよう，バネで圧をかけるなどの工夫を行っている。
冶具のデザイン，品質保証の手順など，事前の準備を入念に確立していたことや，システマティックな作業工程を維持できたことが幸いし，約五人という少人数で作業を続けたのにも関わらず，一か月半ほどで，4080個のMPPCの接着を大きなミスなく無事に成功させることができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
MPPCの接着作業と並行して，宇宙線を用いた時間差ΔTの測定の確認も行った。CsI結晶の上下に，プラスチックシンチレータを設置することで，宇宙線のトラッキングを行う。エネルギーが落ちた場所の深さと，測定されるΔTのプロファイルを事前に測定することで，今回のアップグレードの機能性を確認するだけでなく、結晶ごとの，光量や波形といった個性をデータベース化することができた。
この，宇宙線測定で得られたデータベースをもとにして，モンテカルロ (MC)を用いた検出器応答のシミュレーションを行った。シミュレーションによって、粒子がCsIカロリメータの内部でエネルギーを落とした場所や大きさを，時々刻々，計算することができる。このミクロな情報をもとに，伝搬時間を考慮して波形として重ね合わせ，実際に観測される時間を計算する。この研究によってγの効率90％を維持しつつ，中性子の寄与を3％まで削減できることがわかった。2019年2月，実際のビームを用いたデータ取得を開始した。中性子のサンプルは，KLビームラインの上流に3㎜のアルミニウムを置くことで，中性子を意図的に散乱させて取得した。MCシミュレーションは良く実験を再現していることが確認されている。
新しい検出器をインストールした直後にもかかわらず、前もってシミュレーションのソフトウェアを開発できていたことが幸いし、データの取得後のフィードバックをスムーズに行うことができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
現在は、ビームのデータを取得中であるため、MPPCの読み出しに対して、荒いキャリブレーションを適用している。中性子/γの識別のパフォーマンスをより高めるために、より精度の高いキャリブレーションの手法がないか研究する。
また、これまで、中性子背景事象の削減のために、クラスターの形をニューラルネットワークで判定する手法が使われてきた。電磁シャワーがカロリメータの中で二次元に発展していく様子から、中性子背景事象を数％程度にまで削減することができる。今回開発した，ΔTによる選別と従来の手法の相関によって、削減能力が低下しないか、今後、検証を行っていく予定である。
最後に、ΔTの分布は、荷電粒子の選別にも用いることができる可能性がある。電離損失によって、エネルギーを落としながら、CsIの中を深く貫通していくπ+やμ+などの粒子は、ΔTに対して特徴的な分布となる。荷電粒子を伴う背景事象を削減したり、新たな新物理探索ができる可能性がないか、今後検討していきたい。
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