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8.2 ビーム試験
2017年3月に、今回のビーム試験と同じ東北大学電子光理学研究センターにて、ビーム試 験を予定している。ここで前述の改良を加えたECAL試作機の性能評価を行う。また、スト ローチューブ飛跡検出器と組み合わせた試験も行う。現在計画しているビーム試験のセット アップの模式図を図8.3に示す。２台のBDC、ストローチューブ飛跡検出器、ECALを、全 て同一の真空ボリューム内に設置しビーム試験を行う。このBDCは、真空中での動作に対応 したバージョンであり、現在開発中である。
図8.3: 2017年3月に計画中のビーム試験のセットアップの模式図。有感物質であるBDCの
プラスチックシンチレーションファイバー、ストローチューブ飛跡検出器のストローチュー ブ、ECALのLYSO結晶を水色で表記した。
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第 9 章
まとめ
ミューオン-電子転換過程はcLFV過程の一種であり、複数の BSMにおけるその分岐比の 予言値は、SMの理論値と比較して40桁以上大きい。この過程の探索は、背景事象が存在し ない事も相まって、BSMの発見手段として非常に有効である。COMET実験は、J-PARCに おいてこの過程の探索を行う実験である。その最終的な目標感度はO(10−17)であり、先行実 験の1万倍に相当する。COMET実験では、ECALをストローチューブ飛跡検出器と組み合 わせて使用し、ビーム起因背景事象の測定や、ミューオン-電子転換過程で放出されるエネル
ギー105 MeV の電子の測定を行う。本研究では、実機の縮小版となるECAL試作機の開発
と、完成した試作機について電子ビームを用いた性能試験を行った。
ECALに使用するLYSO結晶について2社の性能比較を行ったが、性能に大きな違いは見 られなかった。結晶の反射材について、ESRとPTFEテープの組み合わせについて測定を行 い、光量がおよそ1.3倍となる事を示した。また、ECALにおける波形記録装置EROSにつ いて時間分解能を評価し、前身であるROESTIから時間分解能が改善している事を示した。
東北大学電子光理学研究センターにおけるビーム試験では、COMET実験における信号電 子のエネルギーを中心とした65–185 MeVの電子ビームを用いてエネルギー分解能、位置分 解能、時間分解能について測定した。得られたデータから、エネルギー分解能として4.2%が 得られた。これはCOMET 実験において要求される5%以下のエネルギー分解能を十分満た している。位置分解能は、7.6 mmが得られた。これも10 mm以下という要求値を十分に満 たしている。時間分解能は、信号波形について0.2 ns、トリガー波形について0.3 nsと見積も られた。両者を加味した時間分解能は0.4 nsであり、時間分解能1 ns以下という要求値を十 分に満たしている。
デッドチャンネルの頻出、試作機全体での同相ノイズ、LEDドライバの動作不良と見直す べき点の多いビーム試験であった。これら諸問題を解決するために検出器に改良を施した。改 良されたECAL試作機の性能評価のために、2017年3月に東北大学電子光理学研究センター におけるビーム試験を予定している。また、同じ機会にECAL試作機とストローチューブ飛 跡検出器を組み合わせ、性能評価を行う。両検出器を同じ真空ボリューム中に設置し、実機と 同じ状況を再現する。さらに、ストローチューブ飛跡検出器から得た電子ビームの飛跡を用
実的なECALの性能評価を行う。
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謝辞
本研究を進めるにあたって、多くの方々のお世話になりました。
九州大学素粒子実験研究室の川越清以教授には学部３年次のゼミよりご指導頂きました。研 究室に配属されてからは、ミーティングや論文紹介において、素粒子物理・素粒子実験の基 礎・基本から教えて頂きました。東城順治准教授には学部4年のゼミよりご指導頂きました。
COMET実験に参加してからは、グループミーティングや研究に関する相談の時々に、研究
者として必要な知識・技能や勘の働かせ方についてご教示頂きました。吉岡瑞樹准教には検出 器の設計に関してアドバイスを頂きました。また、研究以外にもアウトリーチ活動においてお 世話になりました。末原大幹助教には学部4年後期のオルソポジトロニウムの寿命測定と、修 士1年前期の国際リニアコライダー計画に携わっていた折にご指導頂きました。織田勧助教に は学部4年前期のミューオンの寿命測定において、素粒子実験の右も左も分からない状態の私 に基礎を教えて頂きました。CERN駐在の音野瑛俊助教には、リモート参加でのミーティン グにおいて質問、助言を頂きました。また、CERN訪問時にはお忙しい中歓迎して下さいま した。山口博史特任助教には、ECAL試作機の開発に多大な貢献をして頂きました。また、実 験や解析に関して相談に乗って頂いた事や、心を引く論文を紹介して頂いた事もありました。
先端素粒子物理研究センターの重松さおり氏には、出張や納品等の事務手続きにおいて、何度 もお世話になりました。
COMET実験の共同研究者である西口創准教授、上野一樹助教、藤井祐樹博士研究員、濱田
英太郎准技師には、BDCの開発やEROSの性能評価、ビーム試験の実施にあたりご指導頂き ました。
研究室の先輩である大石航氏、松本悟氏、調翔平氏、富田龍彦氏、中居勇樹氏、角直幸氏、
高田秀佐氏には、研究面でお世話になっただけでなく、時事や趣味の話などで楽しく過ごす事 が出来ました。また、発表における見せ方や言い回しなど参考にさせて頂きました。先輩方の 中でも特に大石氏と中居氏は、COMET実験に携わる先輩として、加えてルームシェアのシェ アメイトとして、研究面・生活面の双方で大変お世話になりました。また、角氏には、私が修 士1年の夏に共にMEG実験に参加した折、特にお世話になりました。既に卒業された先輩 である住田寛樹氏、田中聡一氏、長澤翼氏、長島寛征氏、平井寛人氏、藤山翔乃氏につきまし ても、お世話になりました。また、修士論文執筆に励んでいた折、東京OB名義で修士2年宛 に箱一杯の駄菓子を頂いた際には、驚くと同時に感激致しました。同輩の眞玉将豊氏、森下彩
氏、Darnajou Mathieu氏は、研究生活を送る上で無くてはならない存在でした。特に、眞玉
まされてきました。研究室の後輩である修士1年の伊藤拓実氏、古賀淳氏、斉藤貴士氏、関谷 泉氏、山口尚輝氏、山城大知氏、学部4年の上原英晃氏、堤裕樹氏、藤野主一氏、三船陵子氏、
宮崎祐太氏、森涼介氏の研究に努める様は大変励みになりました。特に、私が学部4年の際に 携わったオルソポジトロニウムの寿命測定を引き継いだ古賀氏、斉藤氏、卒業した白濱脩太郎 氏、藤野氏、宮崎氏、森氏が成長する事は何より嬉しいものでしたし、経過報告をいつも楽し みにしていました。また、斉藤氏にはCOMET実験の後輩として次回のビームテストで使用 するBDCの開発を引き継ぎ、尽力してもらっています。
修士1年の夏に参加させて頂いたMEG実験において、東京大学の森俊則教授、大谷航准教 授、岩本敏幸助教、澤田龍助教、内山雄祐特任助教、家城佳特任研究員、金子大輔氏、西村美 紀氏、小川真治氏、中浦正太氏、吉田昂平氏、岩井遼斗氏、中尾光孝氏には大変お世話になり ました。液体キセノンカロリメータのアップグレードに携わり、MPPCの特性や測定、また 真空の取り扱いについて大いに学ばせて頂きました。また、研究面以外でも観光や娯楽におい ても貴重な経験をさせて頂きました。
最後に、大学院進学を快諾し好きなようにさせてくれ、さらに支えてくれた家族に、この場 を借りて深く御礼申し上げます。ありがとうございました。
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参考文献
[1] ATLAS Collaboration, G. Aad et al., Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Phys.
Lett. B 716, 1 (2012).
[2] CMS Collaboration, S. Chatrchyan et al., Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Phys. Lett. B 716, 30 (2012).
[3] V. C. Rubin and J. W. Lent Ford, Rotation of the Andromeda Nebula from a Spectroscopic Survey of Emission Regions, Astrophys. J. 159, 379 (1970).
[4] A. G. Riesset al., Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant, Astron. J. 116, 1009 (1998).
[5] C. Jarlskog, A basis independent formulation of the connection between quark mass matrices, CP violation and experiment, Z. Phys. C 29, 491 (1985).
[6] Super-Kamiokande Collaboration, Y. Fukuda et al., Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Phys. Rev. Lett. 81, 1562 (1998).
[7] S. M. Bilenky, S. Petcov, and B. Pontecorvo, Lepton Mixing, µ→ e+γ Decay and Neutrino Oscillations, Phys. Lett. B 67, 309 (1977).
[8] Z. Maki, M. Nakagawa, and S. Sakata, Remarks on the unified model of elementary particles, Prog. Theor. Phys. 28, 870 (1962).
[9] MEG Collaboration, A. Baldini et al., Search for the Lepton Flavour Violating Decay µ+ → e+γ with the Full Dataset of the MEG Experiment, Eur. Phys. J. C 76, 434 (2016).
[10] S. L. Glashow, Partial-symmetries of weak interactions, Nucl. Phys.22, 579 (1961).
[11] S. Weinberg, A Model of Leptons, Phys. Rev. Lett. 19, 1264 (1967).
[12] R. Barbieri, G. Dvali, and L. J. Hall, Predictions from a U(2) flavour symmetry in supersymmetric theories, Phys. Lett. B 377, 76 (1996).
[13] COMET Collaboration, R. Akhmetshinet al., Experimental Proposal for Phase-I of the COMET Experiment at J-PARC, unpublished (2012), http://comet.kek.
jp/Documents_files/Phase-I-Proposal-v1.2.pdf.
[14] N. Sakai, Naturalnes in supersymmetric GUTS, Z. Phys. C 11, 153 (1981).
[15] S. Dimopoulos and H. Georgi, Softly broken supersymmetry and SU(5), Nucl. Phys.
[16] J. Hisano and D. Nomura, Solar and atmospheric neutrino oscillations and lepton flavor violation in supersymmetric models with right-handed neutrinos, Phys. Rev.
D 59, 116005 (1999).
[17] R. Barbieri, L. Hall, and A. Strumia, Violations of lepton flavour and CP in super-symmetric unified theories, Nucl. Phys. B 445, 219 (1995).
[18] N. Arkani-Hamed et al., The Littlest Higgs, JHEP 07, 34 (2002).
[19] H. Cheng and I. Low, TeV Symmetry and the Little Hierarchy Problem, JHEP 09, 51 (2003).
[20] J. Hubisz, S. J. Lee, and G. Paz, The flavor of a little Higgs with T-parity, JHEP 06, 41 (2006).
[21] M. Blankeet al., Charged Lepton Flavour Violation and (g−2)µ in the Littlest Higgs Model with T-Parity: a clear Distinction from Supersymmetry, JHEP 05, 13 (2007).
[22] E. Fermi and E. Teller, The Capture of Negative Mesotrons in Matter, Phys. Rev.
72, 399 (1947).
[23] Y. Kuno and U. Okada, Muon Decay and Physics Beyond the Standard Model, Rev.
Mod. Phys. 73, 151 (2001).
[24] A. Czarnecki, W. J. Marciano, and K. Melnikov, Coherent muon-electron conversion in muonic atoms, Talk given at Workshop on Physics at the First Muon Collider and at the Front End of a Muon Collider, Fermilab, November 6–9 (1997).
[25] S. Weinberg and G. Feinberg, Electromagnetic Transitions Between µ Meson and Electron, Phys. Rev. Lett. 3, 244 (1959).
[26] O. Shanker, Z dependence of coherent µe conversion rate in anomalous neutrinoless muon capture, Phys. Rev. D 20, 1608 (1979).
[27] J. Bernab´eua, E. Nardib, and D. Tommasinia, µ-e conversion in nuclei and Z′ physics, Nucl. Phys. B 409, 22 (1993).
[28] N. Arkani-Hamed, A. G. Cohen, and H. Georgi, (De)Constructing Dimensions, Phys.
Rev. Lett. 86, 4757 (2001).
[29] L. Randall and R. Sundrum, Large Mass Hierarchy from a Small Extra Dimension, Phys. Rev. Lett. 83, 3370 (1999).
[30] A. Czarnecki, X. G. i Tormo, and W. J. Marciano, Muon decay in orbit: Spectrum of high-energy electrons, Phys. Rev. D 84, 013006 (2011).
[31] SINDRUM II Collaboration, W. Bertl et al., A Search for muon to electron conversion in muonic gold, Eur. Phys. J. C 47, 337 (2006).
[32] COEMT Collaboration, R. Abramishvili et al., COEMT Phase-I Technical Design Report, unpublished (2016), http://comet.kek.jp/Documents_files/
PAC-TDR-2016/COMET-TDR-2016_v2.pdf.
109 [33] J-PARC ホームページ, http://j-parc.jp.
[34] 大阪大学 久野研究室 ホームページ, http://www-kuno.phys.sci.osaka-u.ac.jp.
[35] Particle Data Group, C. Patrignani et al., Review of Particle Physics, Chin. Phys.
C 40, 100001 (2016).
[36] Particle Data Group, K. Hikasa et al., Review of Particle Properties, Phys. Rev.
D 45 (1992).
[37] MECO Collaboration, DRAFT MECO Technical Proposal, unpublished (2001), https://www.bnl.gov/npp/mu-e_docs/Draft_MECO_Tech_Prop.pdf.
[38] COMET Collaboration, K. Oishi, Development of electromagnetic calorimeter using GSO and LYSO crystals for the J-PARC muon-to-electron conversion search experiment, in IEEE 2014 NSS/MIC, 2014.
[39] 浜松ホトニクス, 光半導体素子ハンドブック 第 03 章 Si APD、MPPC, https:
//www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/03_handbook.pdf.
[40] 浜 松 ホ ト ニ ク ス, Si APD S8664-1010, https://www.hamamatsu.com/jp/ja/
S8664-1010.html.
[41] Eljen Technology, EJ-560, http://www.eljentechnology.com/products/
accessories/ej-560.
[42] Saint-Gobain Crystals, Assembly Materials, http://www.crystals.saint-gobain.
com/products/assembly-materials.
[43] 3M, Vikuiti ESR 反射フィルム, http://multimedia.3m.com/mws/media/466120O/
esr.pdf.
[44] Heraeus, SMD0805 Pt10 kΩ,https://www.heraeus.com/media/media/group/doc_
group/products_1/hst/japan_only/SMD_0805_10k_ohm_jp.pdf.
[45] 富士フイルム, ND フィルター, http://fujifilm.jp/personal/filmandcamera/
sheetfilter/nd.html.
[46] ISEG, High Precision Single/Dual Channel HV Module In NIM Standard, http:
//iseg-hv.com/en/products/detail/NHQ.
[47] Optn-It, ROESTI (Straw-DAQ), http://openit.kek.jp/project/lists/roesti/
public.
[48] PSI, DRS Chip, https://www.psi.ch/drs/.
[49] PSI, DRS4 Evaluation Board, https://www.psi.ch/drs/evaluation-board.
[50] 浜松ホトニクス, 光電子増倍管アッセンブリ H7415, https://www.hamamatsu.com/
jp/ja/H7415.html.
[51] D. A. Stricker-Shaver, S. Ritt, and B. J. Pichler, Novel Calibration Method for Switched Capacitor Arrays Enables Time Measurements with Sub-Picosecond Reso-lution, IEEE Trans. Nucl. Sci. 61, 3607 (2014).
[52] 東北大学電子光理学研究センター ホームページ, http://hayabusa1.lns.tohoku.ac.