| 研究課題/領域番号 |
21H01118
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 |
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研究代表者 |
林 ケヨブ 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 (90332113)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)
2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2022年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円)
2021年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
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| キーワード | 光子の入射角度 / サンプリングカロリメータ / 光子の入射角度測定 / 電磁カロリメータ / シミュレーション計算 / 角度分解能 / 入射角度測定 / 細分割 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、J-PARCで行なっているKOTO実験が精密測定研究に移行するために必要な新しい電磁カロリメータを開発する。電磁カロ リメータは光子が生成するシャワーから光子の入射エネルギー、位置を測定する検出器である。本研究はシャワーの情報を細分割された3次元のカウンタで読み取り、入射角度までを測定することに挑戦する。
KOTO実験は検出された2個の光子のみを用いて、K中間子の稀崩壊を探索している。光子の入射位置とエネルギーか求められる崩壊位置のみでは真の崩壊である確証に乏しい。角度測定は求められたK中間子の崩壊位置により高い信頼性を与えることになり、次世代実験では大きな役割が期待される。
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| 研究実績の概要 |
本研究では光子が発生する電磁シャワーの詳細を分析し、光子の入射角度測定を可能にする電磁カロリメータを開発する。電磁シャワー発生プロセスの不均一性、シャワー粒子についての情報収得の限界などがあり、実現可能な検出器の構造と達成可能な角度分解能についての最適化が必要になる。昨年度の研究では、1mmの鉛板と5mmのプラスチックシンチレータを交互に積層する検出器を基本案とし、プラスチックシンチレータの幅を15mmに分割した検出器を用いて1GeVのエネルギーを持つ光子に対する入射角度の精度が１.3度程度になることがわかった。
本年度では、機械学習についての理解を深めることで、シンチレータストリップの幅と要求される学習深度の相関を明確にした。また、角度分解能は入射位置情報の誤りにより変わるので、位置分解能についての研究も行った。幅15mmの検出器から求められる位置分解能は2.1mmであることがわかり、角度分解能を25％程度劣化させることになると予想される。今までの研究結果をまとめ、論文を投稿した。
サンプリングカロリメータのエネルギー分解能はシャワーを生成するコンバータとシャワーの情報を読み取る検出器の物質量の比率に依存する。但し、同じ物質量比ても単一層の厚みによりエネルギー分解能が変わる。前述した（1mm鉛＋5mmシンチレータ）の組み合わせと5層の（0.15mmタングステン＋1mmシンチレータ）は同等の放射長(radiation length)を持っているが、後者のエネルギー分解能は2倍ほど良くなる。暑さ0.15mmのタングステン板は市販の規格品として購入できるし、1mmシンチレータはシンチレーションファイバーであれば減衰の心配なく活用できる。本年度には14mm幅のタングステンストリップと14個のシンチレーションファイバーを用いた検出器開発を行なった。
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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
本年度には機械学習についての理解を深め、前年度の計算結果についての再確認を行なった。細かい誤りを修正しながら1GeVの光子に対して1.3度の角度分解能が期待できるとの結論に至った。実証器の製作については、厚み0.15mm、幅14mmのタングステンストリップの上に1mmX1mmの断面を持つ14本のシンチレーションファイバーをのせたものを5層重ね、検出器の構成単位であるモジュールの製作方法を確立した。必要な全数のファイバーやタングステンストリップの製作は完了している。ファイバーの購入・切断、タングステンストリップの製作に時間が掛かってしまい、本年度に全数の製作までには至らなかった。しかし、確立された方法で製作したモジュールの宇宙線を用いた性能評価試験では、80個程度の光電子獲得が確認できていて、機械学習で想定した検出器の性能を満たしている。全てのモジュールの製作、検出器としての組立に要する時間の予測ができている。
検出器の信号を読み出して保存する電子回路・DAQシステムは、2回の微調整を行い、最終段階である。最後の調整完了はR5年6月末の予定で、大量生産には１ヶ月程度かかる。8月ごろに検出器、DAQシステムを完成させ、宇宙線を用いた長期性能評価実験を行う予定なので、本研究の最終目的である電子ビームを用いた検出器の性能評価試験・入射角度決定には予定通りに進められると期待している。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度 (R5) には1mmX1mmの断面を持つシンチレーションファイバーと14mm幅のタングステンストリップを組み合わせ、384個のモジュールを全数製作行う。モジュール製作は7月中旬ごろ完了すると予想されていて、毎日制作されたモジュールの性能は翌日制作作業中に宇宙線を用いて測定し、基礎データーとして整理・保管する。16モジュールを配列した検出器層を24個重ねて検出器として完成するのは7月末と予想される。
検出器の信号を読み出す電子回路・DAQ システムの微調整は6月末までに完了し、7月末までには全量の製作を行う。8月には製作された検出器と電子回路・DAQシステムて、宇宙線を用いた検出器性能試験を長期間行う。その結果をシミュレーション計算にいれ、検出器の電子ビームに対する応答を予測する。
秋には電子ビームを用いた検出器の性能検査を行い、シミュレーション結果との比較研究を行う。サンプリングカロリメータの角度分解能を左右するパラメターを明らかにすることで、将来実験に適用可能な検出器開発の方向性を示す。
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