パルス中性子を用いた中性子寿命の高精度測定

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13J06088
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山田 崇人 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 中性子フラックス測定

研究実績の概要

当該年度ではまず前検出器の改善に取り組んだ。具体的にはガンマ線発生を抑制するために検出器の内壁に使用している、リチウム6を混合したテフロン材のコーティングを修繕した。コーティングの不備があると中性子寿命を導出するためのβ崩壊事象とヘリウム3・中性子吸収反応事象に対してバックグラウンド事象を発生し、本研究の目的は達成されない。修繕の結果、統計の範囲内でコーティングの齟齬が起こり得る部分に構造を持たないことが示された。
次に検出器ガスの純度の問題について研究を行った。本研究の検出器はMulti Wire Propotional Chamber(MWPC)を用いたTime Projection Chamberである。中性子のフラックスは検出器ガス中のヘリウム3・中性子吸収反応から評価するため、ヘリウム3の量が直接フラックス測定の精度に影響する。そのため検出器ガスはフローを行わず封入するが、検出器ガスの封入後にはアウトガスが発生し、その中の窒素が問題となる。窒素事象は626keV、ヘリウム3事象は764keVのエネルギーを発生させるが、検出器は前述の通りMWPCであるがβ崩壊(10keV)を検出するために増幅率を高めており、高いエネルギーでは増幅に対して飽和が起き、窒素事象とヘリウム3事象はエネルギーによる区別がつかない。前述の検出器コーティングの改善の影響でエネルギー分解能が改善した結果、本測定の最中に低ゲインの設定に変更することで増幅率の飽和を減少させた際に二つの事象の計数比を導出することが可能となった。これを解析し、時間に伴い窒素事象の計数が増大していることが示され、これを差し引くことにより中性子フラックスを正確に評価することが可能となった。
これらの結果を踏まえ、データ取得を行い、解析を行っている。

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

前年度は施設の問題による実験可能期間短縮の影響もあり、十分なデータが得られなかったが代わりに解析の時間を活用し研究を行い、当該年度の研究計画を立て実際にデータを取得した。このため本年度のデータの質を向上させることができた。
検出器の改善は大きな研究成果であり、解析上難しい背景事象の量を抑え込むことに成功している。また、窒素事象の問題については時間依存性をみるために業者にガスクロマトグラフィーを依頼して窒素量を評価する必要があったが、自身の検出器で測定中に評価が可能となった点で大変有用な研究結果である。
当該年度で取得したデータに関してシミュレーションとの比較を行い、実際に系統誤差を評価する段階まで到達しており、近々本実験の最初の物理結果を出せるところまで来ている。β崩壊電子を検出する手法での精度のこれまでの先行研究を超える統計精度が見込まれており、系統誤差は本研究の測定手法・解析アルゴリズムの今後を決めるために重要である。
また、誤差評価の結果を反映したデータセットで来年度のデータ取得を行うことで誤差の量を最小化するよう研究を進めることが可能となる。例えばエネルギー校正用のチェッキングソースを用いた測定や、低ゲインにすることで窒素のガスの時間依存性の測定などを行うが、いつ測定を行うか、どれだけの時間取得を行うかなどを調整する。これにより、系統誤差の増加を抑えつつ、統計誤差を最小化することができる。
着実に進捗があり最終年度のデータ取得・解析に必要な設備と解析フレームワーク、解析手法が整備されてきているため、達成度をこのように評価する。

今後の研究の推進方策

今後は現在の検出器セットアップで最小の誤差となるようデータセットを構成し、実際にデータ取得、解析を行い、論文を執筆する。目標の精度としては同じ手法を用いた中性子寿命を測定実験を超える世界記録である。
本実験の最終的な目標精度を達成するためには統計誤差を減らすために中性子のフラックスを増強する必要がある。そのためにはビームラインの上流の中性子ミラー等の大口径化などを行い、それに伴って検出器の大口径化が必要である。今後は大口径化した検出器設計のためのデータも含めて測定を行う。

研究成果

• [学会発表] J-PARC/BL05 における 中性子寿命精密測定実験の現状 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中元気, 角直幸, 吉岡瑞樹, 音野瑛俊, 北原龍之介, 岩下芳久, 山田崇人, 片山領, 東直, 横山晴道, 角野浩史, 山下了, 榊原理紗, 杉野智昭, 広田克也, 清水裕彦, 北口雅暁, 生出秀行, 関義親, 嶋達志, 三島賢二, 竹谷薫, 猪野隆
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] J-PARC/BL05における 中性子寿命測定実験 : 2014年データ解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 角直幸, 田中元気 , 音野瑛俊, 吉岡瑞樹, 北原龍之介, 岩下芳久, 山田崇人, 片山領, 東直, 横山晴道, 角野浩史, 山下了, 榊原理紗, 杉野智昭, 広田克也, 清水裕彦, 北口雅暁, 生出秀行, 関義親, 嶋達志, 三島賢二, 竹谷薫, 猪野隆
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] J-PARC/BL05における中性子 寿命測定実験の系統誤差の評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 北原龍之介, 岩下芳久, 榊原理紗, 杉野智昭, 広田克也, 清水裕彦, 北口雅暁, 横山晴道, 東直, 山田崇人, 片山領, 角野浩史, 長倉直樹, 山下了, 角直幸, 田中元気, 音野瑛俊, 吉岡瑞樹, 生出秀行, 関義親, 猪野隆, 三島賢二, 竹谷薫, 嶋達志
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] 中性子寿命測定のためのビームモニターの性能評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長倉直樹, 山田崇人, 山下了, 三島賢二, 猪野隆
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] J-PARCにおける 中性子寿命精密測定実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山田崇人
  • 学会等名: 第21回ICEPPシンポジウム
  • 発表場所: 岳美山荘(長野県・北安曇郡)
  • 年月日: 2015-02-10
• [学会発表] J-PARC/BL05における 中性子寿命測定実験 : 系統誤差の評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 角直幸, 田中元気, 音野瑛俊, 吉岡瑞樹, 北原龍之介, 岩下芳久, 山田崇人, 片山領, 東直, 横山晴道, 角野浩史, 山下了, 榊原理紗, 杉野智昭, 広田克也, 清水裕彦, 北口雅暁, 生出秀行, 関義親, 嶋達志, 三島賢二, 竹谷薫, 猪野隆
  • 学会等名: 第120回日本物理学会九州支部例会
  • 発表場所: 崇城大学(熊本県・熊本市)
  • 年月日: 2014-12-06
• [学会発表] Neutron lifetime measurement with pulsed beam at J-PARC:Incident Beam Flux (2014)
  • 著者名/発表者名: R.Sakakibara, H. M. Shimizu, K. Hirota, T. Sugino, T. Yamada, N. Higashi, R. Katayama, H. Yokoyama, T. Ino, K. Mishima, K. Taketani, Y. Iwashita, M. Kitaguch, R. Kitahara, H. Oide, T. Yoshioka, H. Otono, Y. Seki, T. Shima, G. Tanaka, N. Sumi, H. Sumino, S. Yamashita
  • 学会等名: HAWAII2014
  • 発表場所: Waikoloa Village(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2014-10-11
• [学会発表] Neutron lifetime measurement with pulsed beam at JPARC (2014)
  • 著者名/発表者名: Kenji 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, T. Yoshioka
  • 学会等名: HAWAII2014
  • 発表場所: Waikoloa Village(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2014-10-10
• [学会発表] Neutron Lifetime Measurement Initiated at J-PARC/MLF/BL05 (2014)
  • 著者名/発表者名: Genki Tanaka, T. Yoshioka, H Otono, N. Sumi, N. Higashi, K. Hirota, T. Ino, Y. Iwashita, R. Katayama, M. Kitaguchi, R. Kitahara, K. Mishima, H. Oide, R. Sakakibara, Y. Seki, T. Shima, H. M. Shimizu, T. Sugino, H. Sumino, K. Taketani, S. Yamashita, H. Yokoyama
  • 学会等名: HAWAII2014
  • 発表場所: Waikoloa Village(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2014-10-10
• [学会発表] Neutron lifetime measurement with pulsed beam at J- PARC: TPC and DAQ (2014)
  • 著者名/発表者名: 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, T. Yoshioka
  • 学会等名: HAWAII2014
  • 発表場所: Waikoloa Village(アメリカ合衆国)
  • 年月日: 2014-10-10
• [学会発表] J-PARC/BL05中性子寿命測定実験：中性子フラックスの決定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 佐賀大学(佐賀県・佐賀市)
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] J-PARC/BL05 中性子寿命実験:TPC 検出器の改良及び評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 北原龍之介, 岩下芳久, 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, 生出秀行, 関義親, 嶋達志, 竹谷薫, 猪野隆
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 佐賀大学(佐賀県・佐賀市)
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] J-PARC/BL05中性子寿命測定実験：系統誤差の評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山田崇人, 片山領, 東直, 横山晴道, 角野浩史, 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, 三島賢二
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 佐賀大学(佐賀県・佐賀市)
  • 年月日: 2014-09-18
• [備考] 東京大学素粒子物理国際研究センター, 山下研究室, 研究紹介, 中性子寿命の精密測定
  • URL: http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/yamashita/?page=neutron_life