宇宙線ミューオンの測定 久野研究室 ４回生 卒業研究 荒木 慎也 宮本 紀之 室井 章

目次 実験内容 測定方法・結果 ・検出装置とセットアップ 解析 ・バックグラウンド除去 ・検出効率 ・立体角 ・文献 値との比較 まとめ

・実験内容 ・ Flux の絶対値 ・天頂角依存性 ・寿命 ・偏極 地上で観測できる μ の諸性質の内、 を、測定する。 実験予定 今回の発表

測定方法・結果

・ μ の Flux, 天頂角依存性 μ の Flux 天頂角依存性 Flux は、単位時間、単位面積、単位立体角当りに 入射する粒子数で評価。 μ の入射角度により通過する大気の厚さ が違い、強度に天頂角依存性が生じる。 宇宙線の諸成分の強度は、 j θ ＝ j θ=0 cos 2 θ μ 地上 大気 θ と、近似できる。

PMT( 上 ) HV:-1400V Threshold:-80.3mV PMT( 下 ) HV:-1500V Threshold:-30.0mV ・検出装置 検出装置の設定値 3cm 1cm PMT プラスチック シンチレータ 検出器 ライトガイド 10cm

0°30°45° 60° プラスチッ クシンチ レータ μ の速度はほぼ光速なので 10cm 離し た二枚のシンチレータを同時に通過 すると見なせる。 二本の検出器で coincidence をとる ことにより、検出器を結ぶ方角から の μ を測定可能となる。 μ 10cm ・測定方法

PMT1 ( 上 ) PMT2 ( 下 ) DIVIDERadc1 adc2 DIS tdc stop DIVIDER VETO INTERRUPT REGISTER G.G LATCH G.G WIDTHDIV tdc start OUTPUT REGISTER adc gate OUT START STOP IN OUT ・ロジック COIN CAMAC

・測定結果 角度 (°) 測定時間 (sec) カウント数 以上のセットアップでの測定結果

解析

・解析方法 N(θ) : カウント数 ← バックグラウンド除去 ε : 検出効率 ← PMT3 本と 2 本の coincidence 比で評価 Time : 測定時間 ← Deadtime は μs のオーダーなので無視 Ω ・ S : 立体角 × 面積 ← プログラムにより計算 Flux(θ) ＝ N(θ) x ε Time x Ω ・ S

・バックグラウンド除去 (1) BG μ 0°30° 45°60° Ch (PMT( 下 )) Ch (PMT( 上 )) Ch (PMT( 下 )) Ch (PMT( 上 )) 0° 拡大 Cut

・バックグラウンド除去 (2) 0° での PMT( 下 ) の TDC Ch Cut Ch 〜８ ns Cut したものが Accidental coincidence であれば、 ランダムかつ Discriminator の幅 (80ns) の分布を 持つはず。 なぜ？

・バックグラウンド除去 (3)μ チェレンコフ光が発生 10cm Ch (PMT( 下 )) Ch (PMT( 上 )) 模式図 除去された

・検出効率 検出効率測定のセットアップ 測定結果 PMT1 ＝ 100 ％ PMT2 ＝ 100 ％ PMT1 ( 上 ) PMT2 ( 中 ) PMT3( 下 ) 模式図 ε(θ) ＝ N 1∩2∩3 N 1∩3 真ん中の検出器 ( 上図 PMT2) の検出効率

・立体角 上下のシンチレータを 200x200 個の微小面積に細分 化。 下のシンチレータのある微小面 積から等方的に打ち出し、上の 面にヒットする確率をプログラ ムによって計算。 立体角 × 面積 を求める。 計算結果 (srcm 2 ) 3cm 10cm

全方向で 8 枚通過したと仮定 全方向で 8 枚通過したと仮定する と、 980MeV 以下のエネルギーの μ をカットしていることが分かる Bethe-Bloch の式 成分比とそれぞれの原子番号から Z=27.5 A=54.9 となる。 これらから、 0.088mm ごとにエネル ギー損失を計算 コンクリート成分表 ( 数字は %) H棟H棟 1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F B1 30° 60° 45° 各階の厚さ 11cm ・コンクリートの寄与

・文献値の補正 角度ごとに、とり得る角度分布を考えた Flux をプログラムから計算。 中心の角度 (°) Flux (1GeV 以上 ) Flux ( 幅を考えた場合 ) θ 中心の角度 [°] FLUX (360MeV) FLUX (1GeV) FLUX ( 幅 ) コンクリートの寄与から、 比較すべき文献値を考える さらに 最大角 22° Energy(GeV) 参照： Deba Prasad Bhattacharyya (1976) 3cm 0° 45° 60°

・誤差の評価 値誤差 σ の式数値 N(0) σ=25 ε PMT1 σ=1.8×10 -2 PMT2 σ=2.8×10 -2 はカウント数 N(θ) の誤差に対して、 ε の誤差は無視で きる程度である。

・解析結果 ＊ : 過去の実験値 θ(rad) Flux(/sec ・ sr ・ cm 2 )

まとめ

・まとめ バックグラウンドの正体が、ライトガイド部分を μ が 通過した際に発するチェレンコフ光と判明した。 バックグラウンドの正体が、ライトガイド部分を μ が 通過した際に発するチェレンコフ光と判明した。 立体角、コンクリートの寄与を考慮することにより、 同じ状況下での文献値に近い値が得られた。 立体角、コンクリートの寄与を考慮することにより、 同じ状況下での文献値に近い値が得られた。 今後の予定 今後の予定 ・寿命を測定する。 ・偏極を測定する。

H棟H棟 1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F B1 30° 60° 45° その他の寄与 角度ごとにエネルギー分布に違いがあり、 大角度のほうが寄与を受けにくい。 拡大 地上 地下 B１B１ 60° の場合 4m 3.5m

N±σ の範囲内に 68.26% の 確率で真の値がある。 ・ポアソン分布 ・標準偏差 σ N が十分大きいとき、 N=1 N=10 P(N) ・統計誤差 ・正規分布 : 計数値の平均 N : 計数値

・ Deadtime VETO の幅： 80ns Count 数： 1000 〜 80μs 程度

Accidental coincidence の rate 各々の検出器の熱電子の rate ：〜 1Hz Discriminator の幅： 80ns これらが accidental coincidence を起こす確率 (80x10^-9/1)^2 ＝ 1.6x10^-15 測定時間〜 s(0° の場合 ) だと、 2.24x10^-10 event