J- PARC
4.3 中性子 β 崩壊の抽出
4.3.3 Time of Flight の引き算
効率を見積もることは難しいため、本解析ではバックグラウンドと捉えて解析を行った。シ ミュレーションを用いて4.3.4節で見積もる。
4.3 中性子β崩壊の抽出 67
Time of Flight [ms]
0 5 10 15 20 25 30 35 40
count/0.2ms/s
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
tof
Shutter open Shutter closed Subtructed
図4.7 Time of FlightとTPCのカウントレート：TPCでβ 崩壊の抽出条件を通り抜け たイベントのカウントレート
図4.8 Time of Flightイベントの内訳：中性子バンチは1つに簡略化して描いた。Time of Flight = 0付近では水銀標的からの高エネルギー粒子がTPCに到達し計数が高くなる。
中性子β崩壊 Fill I Fill II 3He吸収反応 Fill I Fill II
NFiducialopen 18283±140 13831±123 NFiducialopen 258409±527 203800±474 NSidebandopen 7338±55 3776±40 NSidebandopen 1280±23 744±18
NFiducialclose 7831±93 4216±68 NFiducialclose 878±31 449±22 NSidebandclose 6658±54 3029±36 NSidebandclose 837±19 386±13
Nβ 9772±185 8868±151 N3He 257087±529 202993±475 表4.5 中性子β 崩壊と3He吸収反応のTime of Flight引き算の結果：全ての信号数は openのビームモニター計数 及びFiducialの時間幅に規格化済み。
NFiducialopen −NSidebandopen NFiducialclose −NSidebandclose
Nopen−Nclose Nβ
表4.6 図4.9 - 4.14の凡例
Drift Time [0.1us]
0 50 100 150 200 250 300
Count
0 0.5 1 1.5 2 2.5
103
× drift
Open Fiducial Open Sideband drift
Drift Time [0.1us]
0 50 100 150 200 250 300
Count
0 0.5 1 1.5 2 2.5
103
× drift
Close Fiducial Close Sideband drift
Drift Time [0.1us]
0 50 100 150 200 250 300
Count
0 100 200 300 400 500 drift
Open Fidu-Side Close Fidu-Side drift
Drift Time [0.1us]
0 50 100 150 200 250 300
Count
0 100 200 300 400 500 drift drift
図4.9 Drift Time引き算の様子：中性子β崩壊はTPC中心の17 µsまでに分布するの に対して、バックグラウンドはTPC底面の30µsまで分布している。
Range [mm]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
103
× range
Open Fiducial Open Sideband range
Range [mm]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8
103
× range
Close Fiducial Close Sideband range
Range [mm]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 6 7
103
× range
Open Fidu-Side Close Fidu-Side range
Range [mm]
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
103
×
Count
0 1 2 3 4 5 6 7
103
× range range
図4.10 Range引き算の様子：中性子β崩壊は100 mm以上に分布するのに対して、CO2
吸収反応のバックグラウンドは100 mm以下に分布している。
4.3 中性子β崩壊の抽出 69
Deposit energy [keV]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Count
0 2 4 6 8 10
103
× energy
Open Fiducial Open Sideband energy
Deposit energy [keV]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Count
0 2 4 6 8 10
103
× energy
Close Fiducial Close Sideband energy
Deposit energy [keV]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
103
× energy
Open Fidu-Side Close Fidu-Side energy
Deposit energy [keV]
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
103
× energy energy
図4.11 Energy引き算の様子：Rangeと同様に中性子β崩壊は5 keV以上に分布するの に対して、CO2吸収反応のバックグラウンドは5 keV以下に分布している。
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5 6 7
103
× anddc
Open Fiducial Open Sideband anddc
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5 6 7
103
× anddc
Close Fiducial Close Sideband anddc
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5 6
103
× anddc
Open Fidu-Side Close Fidu-Side anddc
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5
103
× anddc anddc
図4.12 Distance from beam Center引き算の様子：中性子β崩壊はビーム軸上に始点を 持ち小さいDCを持つのに対して、バックグラウンドはなだらかに分布する。1 - 10 wire に対応するワイヤーが2本であるのに対して0 wireに対応するワイヤーは1本である事に 注意。10 wireのピークは、ガス起因バックグラウンドやTPC壁で反跳したβ線のイベン トである。
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 2 4 6 8 10 12 14 16
103
× ax
Open Fiducial Open Sideband ax
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 2 4 6 8 10 12 14 16
103
× ax
Close Fiducial Close Sideband ax
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
103
× ax
Open Fidu-Side Close Fidu-Side ax
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8
103
× ax ax
図4.13 X value 引き算の様子：中性子β崩壊はビーム軸上に分布し、バックグラウンド は全体に広く分布する。
Field Deposit Energy Maximum [keV]
0 10 20 30 40 50 60
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8
103
× fphmax
Open Fiducial Open Sideband fphmax
Field Deposit Energy Maximum [keV]
0 10 20 30 40 50 60
Count
0 1 2 3 4 5 6 7 8
103
× fphmax
Close Fiducial Close Sideband fphmax
Field Deposit Energy Maximum [keV]
0 10 20 30 40 50 60
Count
0 1 2 3 4 5
103
× fphmax
Open Fidu-Side Close Fidu-Side fphmax
Field Deposit Energy Maximum [keV]
0 10 20 30 40 50 60
Count
0 1 2 3 4 5
103
× fphmax fphmax
図4.14 Field Deposit Energy Maximum引き算の様子：中性子β 崩壊は30 keV以下 に分布するのに対して、3He吸収反応は30 keV以上に分布している。
4.3 中性子β崩壊の抽出 71
4.3.4 ガス起因バックグラウンドの見積
ガス起因バックグラウンドは、シグナル抽出やTime of Flightの引き算では完全に排除す ることができないためシミュレーションを用いて見積もりを行う。ガス起因バックグラウンド には、「CO2吸収反応」「散乱中性子6LiF吸収反応」「散乱中性子β崩壊」の3つが含まれる。
Bgas =BCO2 +BLiF+Bscatβ (4.12)
ガス起因バックグラウンドの見積には、まずシミュレーションで生成した3つのバックグラ ウンドを、それぞれの現象が発生する確率によって規格化する[13]。
PCO2=Pcapture×Nγ×Pcompton×εCO2 (4.13) PLiF =Pscatter×Pcapture′ ×Nγ′ ×Pcompton′ ×εLiF (4.14)
Pscatβ=Pscatter×Pdecay×εscatβ (4.15)
ここで、Pcaptureはγ線を放出する吸収反応確率、Nγは放出されるγ線の平均本数、Pcompton
はγ 線がTPC内でコンプトン散乱する確率、Pscatter は中性子散乱確率、Pdecay は散乱中性 子が6LiF壁に吸収される前に崩壊する確率、εはそれぞれのイベントに対するDC以外のβ 崩壊の抽出条件(表4.2)を課した時の抽出効率である。
それぞれの確率と抽出効率についてシミュレーションと吸収断面積から計算した値を代入す ると、
PCO2= (3.4×10−6)×1.5×(1.5×10−3)×0.83
= 6.3×10−9 (4.16)
PLiF = (3.3×10−2)×(8.3×10−5)×2.0×(9.5×10−3)×0.69
= 3.6×10−8 (4.17)
Pscatβ= (3.3×10−2)×(2.2×10−7)×0.82
= 6.0×10−9 (4.18)
となる。この中で最も大きいのは散乱中性子6LiF吸収反応である事がわかる。式4.16 - 4.18 の割合でイベントを混合し作成したガス起因バックグラウンドの絶対数は、中性子β崩壊事象 の存在しない、Anode X分布(図4.15)の4 - 10 wire の領域の積分値で規格化した。この規 格化定数を元にAnode DC分布 (図4.16)を描きこの分布にAnode DC条件を課すことで、
信号に漏れ込むガス起因バックグラウンドの総数を見積もった結果を表4.7にまとめる。
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
−1
10 1 10 102
103
104
ax ax
Anode X value [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
1 2 3 4 5 6 7 8
103
× ax
Experiment
Decay β + LiF + β MC CO2 + Scat
+ LiF β MC CO2 + Scat
β MC CO2 + Scat MC CO2
ax
図4.15 ガス起因バックグラウンド(Anode X value)：[左]対数表示。[右]線形表示。ガ ス起因バックグラウンドのスケールは、β 崩壊信号の存在しない Anode X = 4 - 10 wire の領域で規格化を行った。
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
−1
10 1 10 102
103
104
anddc anddc
Anode DC [wire]
0 2 4 6 8 10 12
Count
1 2 3 4 5
103
× anddc
Experiment
Decay β + LiF + β MC CO2 + Scat
+ LiF β MC CO2 + Scat
β MC CO2 + Scat MC CO2
anddc
図4.16 ガス起因バックグラウンド(Anode DC)：[左]対数表示。[右]線形表示。図4.15 で得られた規格化定数を元に描画している。Anode DC <4に存在するガス起因バックグ ラウンドがβ崩壊信号に漏れ込む。
Fill I Fill II BCO2 119±15 56±7.6
BLiF 718±50 336±24 Bscatβ 145±0.53 77±0.25
Bgas 982±227 469±156
表4.7 ガス起因バックグラウンドの解析結果：BgasにはAnode X分布の4 - 10 wireで 行った規格化による誤差が含まれている。
4.3 中性子β崩壊の抽出 73