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　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

発表の流れ 開発背景 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 2 発表の流れ 開発背景 中性子検出器の概要 中性子検出器の性能評価 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 今後の開発

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

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

中性子検出器の概要 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 5 <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 H7195 H1949-51 H2431-50 H6410 上昇時間 [ns] 2.7 1.3 0.7 走行時間 [ns] 40 28 16 走行時間拡がり [ns] 1.1 0.55 0.37 高い時間分解能が出せる

中性子検出器の概要 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 ５種類をテスト ５×５×３０cm 6 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 ５×５×３０cm Plastic Scintillator 　(SAINT-GOBAIN CRYSTALS) 　　　BC404 , BC408 , BC 412 , BC416 , BC420 BC404 BC408 BC412 BC416 BC420 Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 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] 408 425 434 391 Light Attenuation Length [cm] 140 210 Bulk Light Attenuation Length [cm] 160 380 400 110 Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8 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

Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト 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）BC408　BC416 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。

Fuji test beamline (KEK)でのビームテスト 8 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 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)

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

FLUKAシミュレーション 結果 Scintillator４層8% 検出効率 鉄４層20.8% 約28.8% 10 FLUKAシミュレーション 結果 １ｃｍの厚さの時の １中性子あたりの反応 Proton ビーム 鉛 鉄 陽子 5.0% 5.2% π中間子 0.93% 1.2% 光子 2.0% 2.1% Scintillator４層8% 鉄４層20.8% 検出効率 約28.8% ビーム 今後、厚さと時間分解能の最適化を図る。

低エネルギー中性子に対する反応評価 パラフィン Scinti Cf-252 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 Start Stop rate[Hz] BC408 BC420 0.325 BC404 0.760 0.561 0.481 0.496 0.447 0.372 BC416 0.276 0.361 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。

今後の開発 中性子検出器製作！ 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) 外装設計 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！

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。 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

Scintillator SAINT-GOBAIN CRYSTALS カタログより BC404 BC408 BC412 BC416 Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 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] 408 425 434 391 Light Attenuation Length [cm] 140 210 Bulk Light Attenuation Length [cm] 160 380 400 110 No. H Atoms [×1022/cc] 5.21 5.23 5.25 No. C Atoms [×1022/cc] 4.74 4.73 Ratio H:C Atoms 1.100 1.104 1.110 No. of Electrons [×1023/cc] 3.37 Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8

Scintillator BC404 > BC408 > BC420 (> BC412) > BC416 SAINT-GOBAIN CRYSTALS　カタログより BC404 BC408 BC412 BC416 BC420 Light Output, %Anthracene 68 64 60 38 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] 160 380 400 110 Effective Light Output 61.9 61.5 57.8 36.6 55.8 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

Gamma detector CsI EMCalorimeter T-violation’s one is assumed “at this moment”. （D.V. Dementyev et 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%.

J-PARCハドロンホール平面図