東大理、理研 A 、東大ＣＮＳ B

宇都宮和樹、青木和也 A 、井澗勇気、小沢恭一郎、郡司卓 B 、小松雄哉、四日市悟 A 、渡辺陽介

ω 中間子原子核束縛状態探索のためのTOF 中性子検出器の開発

２００９年３月３０日日本物理学会　第６４回年次大会　 30aSG-6

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開発背景• Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト• FLUKAシミュレーション• 低エネルギー中性子に対する反応評価

中性子検出器の概要

中性子検出器の性能評価

今後の開発

発表の流れ 2

• J-PARC 実験– 原子核中での ω 中間子の質量変化– ω 中間子の原子核束縛状態

開発背景“ORIGIN OF HADRON MASS”

p- + A + n + X

+ p0 +

中性子検出器ガンマ線検出器

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中性子検出器の概要• 中性子検出器に求められる性能

Target

π-

ガンマ線検出器

～７ｍ

•時間分解能　　８０ ps以下•検出効率(Efficiency)　　３０%

中性子検出器Time of Flight(TOF)により中性子を検出

ビーム両読みScintillation Counter６本 × ４層

３０cm

３０cm２０

cm ０度方向の中性子を、小立体角で検出Stopped ω を測定

荷電粒子中性子

4

2GeV

H7195 H1949-51

H2431-50 H6410

上昇時間 [ns] 2.7 1.3 0.7 2.7走行時間 [ns] 40 28 16 40

走行時間拡がり [ns] 1.1 0.55 0.37 1.1

中性子検出器の概要• 中性子検出器の構成

<Light Contact>オプティカルグリースPMT( 光電子増倍管 )浜松ホトニクス H2431-50

高い時間分解能が出せる

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中性子検出器の概要• 中性子検出器の構成 ５種類をテスト５ × ５ × ３０

cm

種類によって光量や減衰長が異なる 適当なものを選ぶ必要がある

Plastic Scintillator　 (SAINT-GOBAIN CRYSTALS)　　　 BC404 , BC408 , BC 412 , BC416 , BC420 BC404 BC408 BC412 BC416 BC420

Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5

Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5Pulse Width, FWHM [ns] 2.2 ~2.5 4.2 5.3 1.3

Wavelength of Max, Emission [nm] 408 425 434 434 391

Light Attenuation Length [cm] 140 210 210 210 140 Bulk Light Attenuation Length

[cm] 160 380 400 400 110Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

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Fuji test beamline (KEK)でのビームテストビーム

時間差を距離０で測定。ビームの Momentumの揺らぎの影響を抑える。

テストする Scintillator ２本両読み TrigScinti(PMT-H2431)

３回のテスト（１） BC408&BC416&Trig（２） BC404&BC412&Trig（３） BC420&BC408&Trig

（１） BC408 　BC416 Trig

１回のテストで３つの TOFのヒストグラム。BC408-BC416

BC408-TrigBC416-Trigこの分布から σ を求める。

Slewing Correction後

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Fuji test beamline (KEK)でのビームテストテスト（１）

組み合わせ σ[ps]BC408&BC416 76.63

BC408&Trig 63.58 BC416&Trig 88.83

テスト（２）組み合わせ σ[ps]

BC404&BC412 63.83 BC404&Trig 62.55 BC412&Trig 83.58

テスト（３）組み合わせ σ[ps]

BC420&BC408 56.03 BC420&Trig 63.44 BC408&Trig 69.57

80psをきる分解能

一つの Scintillatorでも 50psをきる分解能 (10~20psの系統誤差 )

例：テスト（１）σBC408&BC416

2 = σBC4082 +

σBC4162

σBC408&Trig2 = σBC408

2 + σTrig2

σBC416&Trig2 = σBC416

2 + σTrig2

σBC408 , σBC416 , σTrig がそれぞれ求まる。

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• MonteCarlo Simulation package FLUKA(Ver.2008.3)

FLUKAシミュレーション

鉛や鉄の厚さを変えて、出てくる粒子のエネルギー分布をシミュレーション

シンチ単体では４層重ねても、8% くらいの検出効率しかない。

?鉛鉄２ GeV 中性子

Scinti に含まれるＨの数≒5.2×1022[ 個 /cc]

pn(total) の断面積≒ 40[mb]

２

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• 結果FLUKAシミュレーション

今後、厚さと時間分解能の最適化を図る。

１ｃｍの厚さの時の１中性子あたりの反応ビーム

検出効率約28.8%

鉛 鉄陽子 5.0% 5.2%

π 中間子 0.93% 1.2%光子 2.0% 2.1%

ビーム

•Scintillator ４層8%•鉄４層 20.8%

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Proton

低エネルギー中性子に対する反応評価St

art

Stop

ScintiCf-252

パラフィン

Star

t

Stop

反応した中性子のrate からScintillator の検出効率を比較

中性子ＯＮ 中性子ＯＦＦ

Start Stop rate[Hz]BC408 BC420 0.325BC408 BC404 0.760BC404 BC408 0.561BC404 BC420 0.481BC420 BC404 0.496BC408 BC420 0.447BC420 BC408 0.372BC408 BC416 0.276BC416 BC408 0.361

低エネルギーではあるが、中性子に対して感度がある。

種類によって３倍ほどの差が表れた。

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• 鉄 ( 鉛 ) を挿入した時の時間分解能の評価　 ( 厚さと時間分解能の最適化 )– Geant を使ったＴＯＦシミュレーション– 高エネルギー中性子ビームを使ったビームテスト

• 外装設計– PMT ６ × ４層 × ２ ( 両読み ) ＝４８個　は入手済み– Scintillator (BC404) ２４本を発注– 外枠・支え等

今後の開発

中性子検出器製作！

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• ビームテストで時間分解能が測定できた。　　　　　→組み合わせ 80ps以下 ( 単体 50ps以下 )• FLUKA シミュレーションで検出効率を評価した。　　　　　→ 28%程度• Scintillator の種類によって低エネルギー中性子に対する反応の違いがあることが確認できた。

まとめ

• 鉄 ( 鉛 ) を挿入して中性子に対する時間分解能・検出効率を評価する。• 実機製作。

中性子検出器目標性能：時間分解能 80ps以下　　　　　　　　　　　検出効率 (Efficiency) 30%

以上

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BC404 BC408 BC412 BC416 BC420Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64

Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5 Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5

Pulse Width, FWHM [ns] 2.2 ~2.5 4.2 5.3 1.3 Wavelength of Max,

Emission [nm] 408 425 434 434 391Light Attenuation Length

[cm] 140 210 210 210 140 Bulk Light Attenuation

Length [cm] 160 380 400 400 110No. H Atoms [×1022/cc] 5.21 5.23 5.23 5.25 5.21No. C Atoms [×1022/cc] 4.74 4.74 4.74 4.73 4.74

Ratio H:C Atoms 1.100 1.104 1.104 1.110 1.100 No. of Electrons [×1023/cc] 3.37 3.37 3.37 3.37 3.37

Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

ScintillatorSAINT-GOBAIN CRYSTALS 　カタログより

BC404 BC408 BC412 BC416 BC420Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 64

Rise Time [ns] 0.7 0.9 1.0 - 0.5 Decay Time [ns] 1.8 2.1 3.3 4.0 1.5

Bulk Light Attenuation Length [cm] 160 380 400 400 110

Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

ScintillatorSAINT-GOBAIN CRYSTALS 　カタログより

BC404 > BC408 > BC420 (> BC412) > BC416

BC404 > BC408 > BC420 > BC416

低エネルギー中性子に対する反応評価より

Gamma detectorCsI EMCalorimeter

T-violation’s one is assumed “at this moment”.

ΔＥ /E = 1.62%/√E + 0.8%ΔＥ /E = 3 %/√E (conservative)

（ D.V. Dementyev et al., Nucl. Instrum. Meth. A440(2000), 151 ）

21 MeV/c2

29 MeV/c2

Acceptance for is evaluated as 58%.

J-PARCハドロンホール平面図