高運動量ハドロンビームを用いた精密ハドロン分光用大立体角汎用分析装置の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02188
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 野海 博之 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (10222192)
• 研究分担者: 石川 貴嗣 東北大学, 電子光理学研究センター, 助教 (40400220) ; 白鳥 昂太郎 大阪大学, 核物理研究センター, 助教 (70610294)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: チャームバリオン / チャームハドロン / ダイクォーク / 重いクォーク / 大強度ビーム

研究実績の概要

本研究課題では、J-PARCの高運動量高分解能大強度二次ビームを用いた欠損質量法によるチャームバリオンの新しい分光研究を切り拓くため、基幹装置となる大立体角汎用分析装置を開発する。本年度は、主に、以下の項目について研究を進めた。
1)多数の長尺ファイバーを精度よく整列させた、40㎝x60㎝以上の有感領域を持つ高速高分解能飛跡検出器（SFT)の開発を行った。まず、長尺ファイバーを精度よく整列させるための製造法を検討し、ファイバーを平面に並べて適当に調合したエポキシ樹脂で固める方法に基づいて試作機の制作を行い実用性を確認をした。高エネルギー電子ビームを用いて使用するファイバーの径についてMPPC光センサーを組み合わせることにより光量測定を行った。1㎜径と0.5㎜径のものについて十分な検出効率が得られることを確認した。SFTの空間分解能を測定するためにリファレンスとなる飛跡を測るドリフトチェンバーを制作した。
２）大立体角高分解能飛跡検出器として大型の多線式ドリフトチェンバーの設計を進めた。大強度のビーム部の通る部分の不感領域化を設計に取り入れるためのテストチェンバーとして既存のチャンバーを見出し、整備を開始した。
３）高計数率データに対応する高速データ処理機能を内蔵する電子回路の開発を進めた。とくに、高速時間応答に対応する高時間分解能TDCの開発を行い、テスト基盤上で20psの分解能を達成し、実用化にめどをつけた。PCファームを用いた高効率ストリーミング型データ収集システムの開発を進めるためのテストベンチを構築し、収集データのロードバランスを図るためのソフトウエア開発に着手した。

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

１）SFTの開発として、長尺ファイバーを精度よく整列させる製造方法の検討が必要であった。ファイバーに張力をかけて両端を固定する方法と全面を樹脂で固める方法が検討され、後者の有効性について試作機を作って確認できた。
２）多線式ドリフトチェンバーの設計を進めるにあたって、大強度ビームにさらされる部分を不感化しつつワイヤーの冗長性を使って飛跡検出効率をキープできるかが肝であった。これを実際に試すために、既存のドリフトチェンバーを見出し、整備することにした。
３）大強度ビームを用いる実験のため、PCファームを用いたデータストリーミング型高速データ収集システムの開発は肝である。このため、ストリーミングデータとしてネットワーク上を通過するデータを交通整理し、効率よくデータを収集するためのロードバランスをとるソフトウエアの開発に着手したこと。
以上、おおむね当初の計画に沿って進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

これまでの成果を踏まえつつ、計画に沿って研究を進める。
1)多数の長尺ファイバーを精度よく整列させた、40㎝x60㎝以上の有感領域を持つ高速高分解能飛跡検出器（SFT)の開発を引き続き行う。基本設計としは径1㎜のファイバーを用いる。一方、ビーム試験の結果、0.5㎜径のファイバーについて十分な検出効率が得られることを確認した。これにより、物質量を減らすとともに、空間分解能の向上が見込まれ、運動量分解能が向上すると期待できるので、これを用いたSFTの可能性を検討する。
２）大立体角高分解能飛跡検出器として大型の多線式ドリフトチェンバーの設計をさらに進める。整備した既存のチェンバーを用いて、大強度のビーム部の通る部分の不感領域化を試験し、その有効性を確認する。
３）高速時間応答に対応する高時間分解能TDCの開発を進め、実機レベルの電子回路開発に取り組む。PCファームを用いた高効率ストリーミング型データ収集システムについてソフトウエアの開発を進め、模擬的な環境で性能を評価する。

研究成果

• [国際共同研究] Academia Sinica(Taiwan)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: Academia Sinica
• [雑誌論文] Physics in J-PARC Hadron-Hall Extension (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Noumi
  • 雑誌名: JPS Conf. Proceedings 巻: 13 ページ: 010017
  • DOI: DOI: http://dx.doi.org/10.7566/JPSCP.13.010017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structure of charmed baryons studied by pionic decays (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Nagahiro, S. Yasui, A. Hosaka, M. Oka, H. Noumi
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 95 ページ: 014023
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.95.014023
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of a high-intensity photon-beam profile monitor (2016)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa, Hisako Fujimura, Ryo Hashimoto, Yuki Honda, Takashi Ishida, Hiroki Kanda, Satoshi Kido, Yuji Matsumura, Manabu Miyabe, Ikuro Nagasawa, Ken'ichi Nanbu, Hajime Shimizu, Koutaku Suzuki, Ken Takahashi, Atsushi O Tokiyasu, Yusuke Tsuchikawa, Hirohito Yamazaki
  • 雑誌名: Conference Record of IEEE Nuclear Science Symposuim & Medical Imaging Conference 2016 巻: - ページ: -
  • 謝辞記載あり
• [学会発表] Baryon Spectroscoppy with Heavy Flavors at J-PARC (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Noumi
  • 学会等名: International Workshop on Strangeness Nuclear Physics 2017
  • 発表場所: 大阪電気通信大学（大阪府・寝屋川市）
  • 年月日: 2017-03-12 – 2017-03-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spectroscopy of charmed baryon by using hadron beam at J-PARC (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Shirotori
  • 学会等名: Workshop on "Structures and Interactions of Heavy Quark Hadrons”
  • 発表場所: J-PARC（茨城県・東海村）
  • 年月日: 2017-03-01 – 2017-03-03
  • 国際学会
• [学会発表] Charmed-hadron Physics and Physics of Hadron-hall extension at J-PARC (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Noumi
  • 学会等名: KEK Theory Center WS on Hadron and Nuclear Physics at J-PARC
  • 発表場所: KEK（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2017-01-07 – 2017-01-10
  • 国際学会
• [学会発表] J-PARC高運動量ビームラインにおけるチャームバリオン分光実験 (2016)
  • 著者名/発表者名: 白鳥昂太郎
  • 学会等名: ELPH 研究会 C015 「マルチフレーバーで探るエキゾチックハドロンとハドロン多体系の物理」
  • 発表場所: 東北大学電子光理学研究センター（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2016-12-01 – 2016-12-02
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a high-intensity photon-beam profile monitor (2016)
  • 著者名/発表者名: Takatsugu Ishikawa
  • 学会等名: IEEE Nuclear Science Symposuim & Medical Imaging Conference
  • 発表場所: Strasbourg（フランス）
  • 年月日: 2016-10-29 – 2016-11-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Exploring diquark correlations by charmed baryon spectroscopy at J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Asano
  • 学会等名: The 10th APCTP-BLTP/JINR-RCNP-RIKEN Joint Workshop on Nuclear and Hadronic Physics
  • 発表場所: 理化学研究所（埼玉県・和光市）
  • 年月日: 2016-08-17 – 2016-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] Charmed Baryon Spectroscopy via the (pi,D*-) reactions (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Noumi
  • 学会等名: The 34th Reimei WorkShop "Physics of Heavy-Ion Collisions at J-PARC”
  • 発表場所: J-PARC（茨城県・東海村）
  • 年月日: 2016-08-08 – 2016-08-09
  • 国際学会
• [学会発表] Experimental investigation for diquark degrees of freedom in a charmed baryon at J-PARC (2016)
  • 著者名/発表者名: T.N. Takahashi
  • 学会等名: The 14th International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon (MENU2016)
  • 発表場所: 京都大学（京都府・京都市）
  • 年月日: 2016-07-25 – 2016-07-30
  • 国際学会
• [学会発表] Physics in J-PARC Hadron-hall extension (2016)
  • 著者名/発表者名: H. Noumi
  • 学会等名: The 14th International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon (MENU2016)
  • 発表場所: 京都大学（京都府・京都市）
  • 年月日: 2016-07-25 – 2016-07-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] Charm Baryon Spectroscopy at J-PARC
  • URL: http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~noumi/puki/E50/index.php?FrontPage