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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

1. ２００９ 年３月３０日 日本物理学会　第６４回年次大会　 30 aSG-6. 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. 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. 2. 発表の流れ. 3. 開発背景. “Origin of Hadron mass”. 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. p - + A   + n + X. p 0 + g.  + .

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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

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  1. 1 ２００９年３月３０日 日本物理学会　第６４回年次大会　30aSG-6 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 東大理、理研A、東大ＣＮＳB 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

  2. 2 発表の流れ

  3. 3 開発背景 “Origin of Hadron mass” • 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 p- + A   + n + X p0+ g  +  中性子検出器 ガンマ線検出器

  4. 4 中性子検出器の概要 2GeV 中性子 • 中性子検出器に求められる性能 ～７ｍ π- 荷電粒子 Target 中性子検出器 ３０cm Time of Flight(TOF) により中性子を検出 ２０cm Stopped ωを測定 ０度方向の中性子を、小立体角で検出 ガンマ線検出器 • 時間分解能 • 　　８０ps以下 • 検出効率(Efficiency) • 　　３０% 両読みScintillation Counter ６本×４層 ３０cm ビーム

  5. 5 中性子検出器の概要 <Light Contact> オプティカルグリース • 中性子検出器の構成 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

  6. 6 中性子検出器の概要 ５種類をテスト ５×５×３０cm • Plastic Scintillator (SAINT-GOBAIN CRYSTALS) • BC404 , BC408 , BC 412 , BC416 , BC420 • 中性子検出器の構成 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

  7. 7 Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト • テストするScintillator２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）BC408BC416 Trig 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。 Slewing Correction後 １回のテストで３つのTOFのヒストグラム。 BC408-BC416 BC408-Trig BC416-Trig この分布からσを求める。

  8. 8 Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト 80psをきる分解能 例：テスト（１） σBC408&BC4162 = σBC4082 + σBC4162 σBC408&Trig2 = σBC4082 + σTrig2 σBC416&Trig2 = σBC4162 + σTrig2 σBC408 , σBC416 , σTrig がそれぞれ求まる。 一つのScintillatorでも50psをきる分解能(10~20psの系統誤差)

  9. 9 FLUKAシミュレーション Scintiに含まれるＨの数 ≒5.2×1022[個/cc] pn(total)の断面積≒40[mb] • MonteCarlo Simulation package FLUKA(Ver.2008.3) 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。 ２ ? ２GeV中性子 鉛 鉄 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

  10. 10 FLUKAシミュレーション １ｃｍの厚さの時の １中性子あたりの反応 Proton • 結果 ビーム 検出効率 約28.8% • Scintillator４層8% • 鉄４層20.8% ビーム 今後、厚さと時間分解能の最適化を図る。

  11. 11 低エネルギー中性子に対する反応評価 パラフィン 中性子ＯＮ 中性子ＯＦＦ 反応した中性子のrateからScintillatorの検出効率を比較 Scinti Cf-252 Start Stop Start Stop 種類によって３倍ほどの差が表れた。 低エネルギーではあるが、中性子に対して感度がある。

  12. 12 今後の開発 • 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 • PMT６×４層×２(両読み)＝４８個 　は入手済み • Scintillator (BC404) ２４本を発注 • 外枠・支え等 中性子検出器製作！

  13. 13 まとめ 中性子検出器目標性能：時間分解能80ps以下 検出効率(Efficiency) 30% • 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。 • 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。 以上

  14. Scintillator SAINT-GOBAIN CRYSTALS　カタログより

  15. Scintillator SAINT-GOBAIN CRYSTALS　カタログより BC404 > BC408 > BC420 (> BC412) > BC416 低エネルギー中性子に対する反応評価より BC404 > BC408 > BC420 > BC416

  16. Gamma detector • CsIEMCalorimeter • T-violation’s one is assumed “at this moment”. （D.V. Dementyevet al., Nucl. Instrum. Meth. A440(2000), 151） 21 MeV/c2 29 MeV/c2 ΔＥ/E = 1.62%/√E + 0.8% ΔＥ/E = 3 %/√E (conservative) Acceptance for w is evaluated as 58%.

  17. J-PARCハドロンホール平面図

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