音野瑛俊　（東京大学）and NOP collaboration

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MotivationMotivation

G.J. Mathews, T. Kajino, T. Shima

PRD71 (2005) 021302

測定手法によって 1%の違い

ビックバン元素合成での重要な役割

中性子寿命

バリオン密度Heと Hの存在比率

He/H

バリオン密度

n = 878.5±0.7±0.3 sec (UCN Gravity trap : Serebrov 2008)

n = 886.3±1.2±3.2 sec (Proton penning trap : Nico 2005)

n = 878.5±0.7±0.3 sec

n = 885.7±0.8 sec

→　異なる測定手法での検証が望まれている

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崩壊電子の計数

3He(n,p) 3H の計数によるフラックス測定

・検出領域より短い中性子バンチ → β 崩壊とフラックスを同一の信号領域で測定

・ 4πアクセプタンス → 99.9%以上の信号検出効率

・統計的引き算のできないビーム起因 BGの抑制（<0.1%）

時刻

ビーム軸上の座標

信号領域

実験原理実験原理ガス検出器の有感領域

長所

課題

3

プロンプト 統計処理で除去可能な BG

β崩壊（シグナル）

除去不可能な BG

ベータ崩壊と同期して発生するイベントでチョッパーを入れても残存する．ハードウェアレベルでベータ崩壊イベントの1/1000まで落とす必要がある

ビームに起因する・しないにかかわらず．時間的に直流である

MLF水銀ターゲットに陽子ビームが衝突する際に発生する・速中性子・ガンマ線などで信号領域の外にあるもの

TOF

イベント数

0 40ms

イベントのイベントの Time of Flight Time of Flight 情情報報

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β崩壊・中性子フラックス測定ガス検知器（ TPC）

真空容器

鉛遮蔽

宇宙線 Vetoカウンタ

J-PARC MLF BL05

セットアップセットアップ

5

BL04

BL05

偏極

非偏極

低発散

フリッパーコイル１

ローパスフィルタ

磁気スーパーミラー１

磁気スーパーミラー２

フリッパーコイル２

磁気スーパーミラー３

スピンフリップチョッパーのセットスピンフリップチョッパーのセットアップアップ

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SFC の構成◦ フリッパーでパルスの一部のスピンを反転◦ ミラーでスピン反転した部分の中性子のみを反射

◦ フリッパーとミラーを増やし、コントラスト（ B/A）を向上◦ 前回ビームテスト時はフリッパー、ミラーともに１つで、 B/

A〜 6

B

40cm

A

Flipper OnFlipper Off

TPC1m

NeutronSource

20m

スピンフリップチョッパーの動作スピンフリップチョッパーの動作原理原理

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SFC のセットアップ◦ フリッパー　 2 個◦ ミラー　　　 3 個

→ Contrast > 400 を達成　

現在のパフォーマンス現在のパフォーマンス

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中性子 励起

6Liは γ線を伴わず崩壊するため遮蔽として用いられる

放射性同位体

ほとんど全ての元素は吸収と同時に即発ガンマ線（数MeV）を複数出して基底状態に落ちる

ビーム起因ビーム起因 BGBGと中性子吸収と中性子吸収

CO2など

ガスの構成元素が吸収すると、即発 γ線

の反跳 (~1keV)を受けてイオン化を起こす

崩壊

安定核子

8Li(840msec)、 20F(11.2sec)、28Al(2.24min)、、、

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BL04

BL05

１．プロンプト検出器の 20m上流にある破砕ターゲットから発生する速中性子およびガンマ線（ t=0に集中して発生）

2．上流ビームラインターゲットから 16m地点まである遮蔽の内部で発生するガンマ線（ TOFを反映）

3. SFC前段ミラーSFCの 1・２段目のミラーに中性子が当たるときにガンマ線を発生する（ TOFを反映）

4. SFC最終段ミラーチョップが効いているのでパルス化されたガンマ線を発生する

5. 検出器中の散乱中性子に起因するバックグラウンド

6. 飛行中に散乱した中性子に起因するバックグラウンド

7. 他のビームライン起因のバックグラウンド

2．上流ビームラインターゲットから 16m地点まであるビームラインの内部で発生するガンマ線（ TOFを反映）

3. SFC前段ミラーSFCの 1・２段目のミラーに中性子が当たるときにガンマ線を発生する（ TOFを反映）

5. 検出器中の散乱中性子に起因するバックグラウンド

6. 飛行中に散乱した中性子に起因するバックグラウンド

7. 他のビームライン起因のバックグラウンド

ビーム起因ビーム起因 BGBGの種類の種類

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BL04

BL05

偏極

非偏極

低発散

SFCSFCやビームラインからのやビームラインからの BGBGの測定の測定

6Li + neutron α + 3H吸収長は 500um程度

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SFCSFCやビームラインからのやビームラインからの BGBGSFC

TPC初段、２段目のミラー

11.0Hzの増加

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SFCSFCやビームラインからのやビームラインからの BGBG

SFCの周りに鉛を積むことで即発ガンマ線を遮蔽する

簡単な遮蔽での線量の減少は 2桁

中性子崩壊タイミングで S/Nが 1/1000 の遮蔽を設計完了

透過波

反射波

透過波は入射波の“ダウンスピン成分”と“アップスピン成分の一部”から成る。

今回の実験では透過波が構造物に当てたため、 γ 線 BGの原因となった。

最終ミラーの透過波からの最終ミラーの透過波からの BGBG

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最終ミラーの透過波からの最終ミラーの透過波からの BGBG

3.7Hzの増加

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検出器内部で散乱した中性子の捕獲による γ線 BGの原因になる→(n,γ)反応を起こさない物質による散乱中性子の吸収が必要

採用している素材： LiF/PTFE 30:70の板 (100%を被覆する必要 )→LiF/PTFE板を組み込んだ TPC構造を試作している

(n,γ)

γ

e-

n

TPCTPC内での散乱による内での散乱による BGBG

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BGBGのの SummarySummary

BGの Source 全時間での

計数率[Hz]

中性子崩壊タイミングでのS/N

必要となる S/N

中性子吸収による BG

SFC 7.2 1/30 1000

Beamline 3.8 1 1000

鉛、 SUS 3.7 1/10 1000

TPCガスでの散乱

<1 1 1000

放射化 <1時間的に一定のため引き算が可能環境 BG

G10 12

宇宙線 <140K ~1

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SummarySummary

TPCを用いて中性子フラックスと崩壊電子を同時測定し 0.1%の寿命決定を目指す

SFCを用いてビームを整形し、 Fiducial Volumeを決める

シグナルの検出効率は 99.9%のため、 BGの抑制が必須

統計処理で除去可能な BGについては S/N<1以下を目指す（<0.4Hz）

統計処理で除去不可能な BGについては 1/1000を目指し設計中

３月までのビームタイムでの物理 runを目標としている

CH4CH4のの recoilrecoil CH4を 1.5kPa混ぜて測定

σabsorb (barn)

Eγ (MeV)

M (GeV)

E2/2M

(keV)

12C+n13C+γ

0.0035 4.95 12.1 1.01

1H+nd+γ

0.3326 2.22 1.88 1.32

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1mse

c

1sec

1min

1hou

r

1day

1yea

r

8Li840mse

c

8Li840mse

c

28Al2.24min

28Al2.24min

59Fe44.5day

59Fe44.5day

65Ni2.52hou

r

65Ni2.52hou

r

95Zr64.0day

95Zr64.0day

97Zr16.7hou

r

97Zr16.7hou

r

31Si2.62hou

r

31Si2.62hou

r

51Cr27.7day

51Cr27.7day

55Cr3.50min

55Cr3.50min

12B20.2mse

c

12B20.2mse

c

20F11.2sec

20F11.2sec

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TPCTPCの応答の応答

[keV]

TPC : 20cm x 20cm x 80cm

ΔE=17%@5.9keV　

吸収起因のバックグラウンド 〜 β崩壊　　　　←　　 TPCに落とすエネルギーでカット　

散乱起因のバックグラウンド 〜 β崩壊ｘ 0.3 ←　　 99.7%の散乱中性子を 6Liで吸収させる　

89%： TPCを抜ける 7%： TPC内で止まる 4%：反跳し TPCに戻る

4.9keV： 99.9%の β崩壊を捕らえるための閾値

[keV]

TPCに落とすエネルギーβ崩壊で生成する電子のエネルギー

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中性子の吸収と即発ガンマ線中性子の吸収と即発ガンマ線

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