(γ,π+γ)反応による原子核スピン・アイソスピン状態の研究

状態の研究

著者

前田 和茂

(γ, 7r+γ)反応による

ン

ど

ス

核

千

原

･アイソスピン状態の研究

研究課題番号 08454055

平成8年度∼平成1 0年度科学研究費補助金(基盤研雑粘究成果報告書

平成1 2年2月

研究代表者  前田 和茂

東北大学大学院理学研究科

原子核スピン･アイソスピン状態の研究

研究課題番号 08454055 平成8年度∼平成1 0年度科学研究費補助金(基盤研究油()Ogf究成果報告書 00010138928

二二二二=二二二

平成12年2月 研究代表者 前田和茂 東北大学大学院理学研究科

はしがき 本研究の目的は,東北大学大学院理学研究科付属原子核研究施設(核理研)に完成する電子線 線形加速器+300MeVパルスビームストレッチャー･ブースター(STB)による光子･パイ中間子生成 反応による原子核スピン･アイソスピン状態の研究である.この実験では,ガンマ線の高分解能標識 化と終状態に放出されるガンマ線を解析することによりこれまで行われてきた(7,7t)反応実験の問題 点を克服し新たな知見を得ることが目的である. この実験を準備するため平成8年度から平成9年度にかけて,実験に使用するパイ中間子測定検 出器の設計およびテストをKEK-TANASHIの1.3GeV電子シンクロトロンを用いて行った.パイ中間 子の測定は△E/Eタイプのプラスチックレンジテレスコープで行う.パイ中間子は,検出器内で静止し た後崩壊時に放出する荷電粒子の信号をとらえ,パイ中間子事象を区別し,そのエネルギーはレン ジおよびパルス波高で決定する.この方法により正･負電荷のパイ中間子を区別し分解能lMeVで 測定することができる. 平成10年度に,実験を行う予定であったが加速器からの新実験ビームライン-のど-ム供給か 遅れ年度内に本実験を行うことが出来なかった.ビームの実験室-は平成11年2月にパルスビー ム,平成11年5月に連続ビームが輸送行われるようになりビーム調整を開始した.平成11年11-1 2月にかけてSTBからの連続電子線(デュティー因子;約30%)を用いビームラインおよび光子標 識化装置の調整をおこなった.この結果,実験を実施する上で最も重要な因子の一つであるビー ムハンドリングについての問題点を明らかにすることが出来た.残念ながらビームエネルギーおよ びビームのデュティー因子が本課題の7T中間子測定実験の条件を満たさないため,年限内に実 験を実施することが出来なかったが,その見通しを得ることは出来たと考えている. 本報告書では,研究課題"(γ. 7r γ)反応による原子核スピン･アイソスピン状態の研究''にお いて達成することが出来た, 1  標識γビームの生成, 2   検出器の性能, 3   実験の全体計画, について述べる.現在このエネルギー領域での核物理実験を行うことの出来る電子線加速器施 設は,世界で核理研のみであり,ひきつづきこの課題取り組む予定である.

課壇寺号    08454055 研究組稜 研究代表者:前田和茂  東北大学･大学院理学研究科･助教授 研究分担者:須田利美  東北大学･大学院理学研究科･助手 研究分担者:寺沢辰生  東北大学･大学院理学研究科･助教授 一研究軽費 平成 8年度  4900千円 平成 9年度 1000千円 平成10年度  900千円

研究発表

Phys.Rev. C56, 2607 (1997)

M･A･Espy, J･M･ODonnell, B･Davis, D･Delmhald, J･LLangenbrunner･ B･Larson･ M･Palarczyk･ C.M.Riedel, K.Wick, S.Blanchard, GR.Burleson, W.R.Gibbs, B.Lai1, B.Nelson, B.K.Park,

Q.Zhao, W.J.Cumings, P.P.J.Delheij, B.K.Jennings, 0･Hausser, R･Henderson, D･Thiessen,

E.Brash, M.K.Jones, B.Bdnkmoller, K.Maeda, EMe汀ill, C.LMo汀is, S.Penttila, D.Swenson,

D･Tupa, C･Bennhold, S･S･Kamalov

AsymmetrL'esfor Elastic Scattering of 7rfrom Polan'zed 3He at A Resonance EnergL'es

Phys･Lettl 393B, 295 (1997)

K.Maruyama, K.Niki, Y.Sumi, T.Emura, I･Endo, S･Endo, H･Itoh, SIKato, M･Koike, K･Maeda, T･Maki, Y･Murata, C･Rangacharyulu, A･Sasaki, T･Suda, YIWada, K･Yoshida, and the TAGX

Collaboration

A Step-LL･ke RL･Se in the JHe(ypn)2H Cross Section Near the PLlon-ProductL'on

Phys.Rev. C55, 1832 (1997)

D.G.Watts, GM.Huber, GJ.Lolos, B.Lasiuk, S.Kato, M.Koike, K.Maruyama, K.Niki, Y･Wada, K･Maeda, T･Suda, T･Emura, H･Miyamoto, S･Endo, Y･Sumi, 0･Konno, H･Yamazaki, H･Itoh,

T.Maki, A.Sasaki

single and Double Delta Production L･n the 3He(γ 7{7T-) ReactL･on at 380 < E(74 < 700

MeV

Phys.Rev.Lett･ 80, 3471 (1998)

S.Ajimura, M.Ishikawa, K･Ikeda, T･Kshimoto, A･Okusu, NIShinkai, Y･Tanaka, H･Ejiri,

TNakano, T･Nagae, H･Noumi, K･Manabe, M･Sekimoto, T･Shibata, 0･HaShimoto, K･Maeda,

T･Thkahashi, T･Hasegawa, H･Bhang, H･Park, Y･Kim, M･Youn, T･Motoba, K･Itonaga

poLarizatL'on of(^)5He Produced by the (pi',K') Reaction

Nucl.Phys. A629, 412C (1998)

H.C.Bhang, S.Ajimura, K.Aoki, T･Hasegawa, 0･Hashimoto, H･Hotchi, Y･D･Kim,

T.Kishimoto, K.Maeda, H.Noumi, Y.Ohta, K.Omata, H.Outa, H.Park, Y.Sato, M.Sekimoto, T.Shibata, T.Takahashi, M.Youn

H.C.Bhang, S･Ajimura, K･Aoki, T･Hasegawa, 0･Hashimoto, H･Hotchi, Y･DIKitm,

T.Kishimoto, K.Maeda, H.Noumi, Y.Ohta, K.Omata, H.Outa, H･Park, Y･Sato, M･Sekimoto, T.Shibata, T.Tikal1aShi, M.Youn

LlfetL'mes of^ Hypernuclei Up Eo ^Fe

Phys.Rev.Lett･ 81, 4321 (1998)

H.Bhang, S.Ajimura, K.Aoki, T･Hasegawa, 0･Hashimoto, H･Hotchi, Y･D･tGm, T･Kshimoto,

K.Maeda, H.Nou血, YOhta, K･Omata, H･Outa, H･Park, YSato, M･Sekimoto, T･Shibata,

T.Takahashi, M.Youn

L'fetihle Measurement of^]2C, ^28sL', and ^Fe Hypemuclei

Nucl.Phys. A629, 405C (1998)

0.Hashimoto, S.Ajimura, K.Aoki, H･Bhang, T･Endo, Y･Fujii, H･Hotchi, E･Hungerford･

J.H.Kin, Y.D.Kin, T.Kishimoto, K･Koshino, K･Kubota, K･Maeda, T･Nagae･ H･Noumi,

Y,ohta, K.Omata, H.Outa, H･Park, Y･Saito, T･Saito, Y･Sato, M･Sekimoto･ T･Shibata･ T.Takahashi, T･Tamagawa, H･Tamura, LTang, H･Tanita･ M･Youn

StrLiCture OfLight A HypemucLeL'and the A N InteractL'on

Nucl.Phys. A629, 559C (1998)

T.Nakano, H.Ejiri, M.Fujiwara, TIHotta, KThkanashi, H･Toki, S･Hasegawa, T.Iwata, K.Okamoto, T.Murakami, J.Tamii, K･hai, K･Maeda, K･Maruyama, S･Date･ M･M･Obuti･

YOhashi, H.Ohkuma, N.Kumagal

New Projects at spring-8 wL'(h Multi-GeV Polarized Photons

Phys.Rev.Left. 81, 1805 (1998)

GNiculescu, R･M･Mohring, P･Gueye, D･Abbott･ A･Ahmidouch･ Ts･A･Amatuni･ p.Ambrozewicz, T･Angelescu, C･S･Armstrong･ K･Assamagan･ S･Avery･ K･Bailey･ 0･K･Baker･

K.Beard, S.Beedoe, E.Beise, H･Breuer, R･Carlini, J･Cha, C･C･Chang, N･Chant･ E･Cisbani,

GCollins, W･Cummngs, S･Danagoulian, R･De Leo, EDuncan, J･Dunne, D･Dutta, T･Eden,

R･Ent, LEyraud, L･Ewell, M･Finn, T･Fo仙ne, VFrolov, S･Fnlllani, C･Furget, F･Garibaldi,

D.Gaskell, D.F.Geesaman, K･K･Gustafsson, J･-0･Hansen, M･HaⅣey, W･Hinton,

E･Hungerfbrd, M･Iodice, C･Jackson, C･Keppel, W･Kim, K･Kino, D･Koltenuk, S･Kox, Lmamer, T.Leone, GLolos, A.Lung, D.Mack, R･Madey, M･Maeda, S･Majewski,

p.Markowitz, C.J.Martoff, D.Meekins, A･Mihul, J･MitcheH, H･Mkrtchyanl S･Mtingwa･

TISaito, GSavage, R･Sawa氏a, R･Segel, S･Stepanyan, P･Stoler, V･Tadevosian, LTang,

LTeodor｡scu, T.Terasawa, H.Tsubota, GM.Urciuoli, J.Volmer, W.Vulcan, P.WeIとh,

R.WilliamS, S.Wood, C.Yam, B.Zeidman

LongL･tudL.nal and Transverse Cross SectL･ons L･n the lH(e,e ･K')A ReactL･on

Nucl.Phys. A639, 279C (1998)

Y.Sato, 0.Hashimoto, T.Takahashi, K.Maeda, H.C.Bhang, H.Park, Y.D.Kin, M･Youn, H.Outa, M.Sekimoto, T.Hasegawa, K.Omata, T.Shibata, K.Aoki, H.Noumi, T.Kishimoto, S･Ajimura

7r- MesonL'c Weak Decay wL'th of^J2c

Phy￡Rev. C60, 025203 (1999)

M･A･Kagarlis, Z･Papandreou, G･M･Huber, GJ･Lolos, A･Shinozaki, E･J･Brash･ F･Farzanpay, M.Iurescu, A.Weinerman, GGarino, K.Maruyama, 0.Konno, K.Maeda, T･Terasawa, H.Yamazaki, T.Emura, H.Hirosawa, K.Niwa, H.Yamashita, S.Endo, K.Miyamoto, Y.Sumi, A.Leone, R.Perrino, T.Maki, A.Sasaki, J.C.Kin, and the TAGX Collaboration

subthreshold pO photopnoductL･on on 3He

Phys.Rev. C60, 024001 (1999)

Q.Zhao, GBurleson, S.Blanchard, T.Chang, W.Gibbs, J･Haas, B･Park, M･Whitton, M･Espy, D.Dehnhard, B.Larson, J.ODonnell, M.Palarczyk, W.CummlngS, P.Delheij, 0･Hausser, E･Pasyuk, M･Gostkin, J･Amann, R･Boudrie, CIRiedel, C･MorriS, SIPentilla, D･Swenson,

D.Tupa, ∫.Comfわrt, C･Gaulard, K･Maeda, GGlaSS, Ⅰ･Supek

東北大学大学院理学研究科付属原子核研究施設(核理研)で1 9 9 7年度完成 したストレッチャー･ブースター･リング(STB)によりデューティ因子(DF)の 高い250 MeVおよび1.2 GeV電子線を核物理実験で使用することが出来るよう になった.この連続電子線用い,冗, 〝のような軽い中間子光生成実験が実光子を 用いて行うことが可能になる. 運用が開始された15012.50 MeVの取り出し連続電子線を利用することによりエ

ネルギー分解能が△E, ≦ 1 MeV,最大エネルギーE, -0･2 GeVの標識化され

た光子を用いた実験が新たに行えることになった.この実験に使用する電子線は, 新たに設置されたビームライン(Ⅴ系ビームライン)で実験室まで輸送され光子 標識化装置に入射される.核理研加速器･ STB ･ Ⅴ系ビームライン･光子標識

化装置全体で本課題で達成したいガンマビームのスペックは, I, ∼ 5 × 106/see, DF ≧80%, E, -30-200MeV, △E, ≦ 1･5MeVである･核理研STBの1･2 GeV蓄積ビームを用いた光子標識化装置の建設も現在順調に進んでおり,本研究 課題で整備開発を行うⅤ系光子標識化装置を含めると,巨大共鳴領域からGeV領 域までのすべてにわたりエネルギーの決まったγ線を使用できるようになる･さ

らに1.5 GeV放射光リングが完成した場合,レーザー電子光技術を用いた高品質 偏極γ線でSingle MeVから100 MeVまでの核物理の精密実験を行うもかのうで

ある.また1.2GeVリングでの標識光子装置と同様の装置は, 1.5GeVでも使用 することが出来クオーク核物理の入口まで到達することが出来る.このように本 課題は,光を用いた核物理研究のユニークな施設を実現する第1歩に位置づける ことが出来る. V系光子標識化装置を用いるといくつかの新しい実験が可能になる.これらの 中でも,これまで精度の高い実験が行われなかった(7,7T)スペクトロスコピーは, 1.2-GeVブースター運転で計画されている(7,〟)反応との関連で興味深い･ これらの反応の素過程は7+Ⅳ一打(〟)+〟(A)でありしばしばChew,

Gold-berger, Low, Nambu (CGLN)振幅【6】として次のように記述される･

fw.K - q･Efl+i(q･bm)(q･卓,×合)/2+(U.礼)(bm･舌)f3+

(q ･ i)m)(i,m ･合)fJ,      (1)

ワ

冒

(Z-1 ,N+1) (叩) (a. He) T≡T+1 ' (I_p_.)

mロココロロココロココ

(Z,N) T-T

萱I≡≡If叫

/ (7,7t) '寵't'(zT'黒) 図1:運動学的関係 量を表している. (7,打土)反応の場合,散乱振幅は t(7,qi) - ifT ･ T土 のように書くことが出来る.したがって(7,打土)反応の微分断面積は 芸- (義)e2f2(2Jt･1,I-1× A ∑(*/ l ∑ t叩± eXP(iqr) I 4,i), n=l (2) (3) で表され, DWIA近似のもとでdq/dJ之とq ,波動関数4,間の簡潔な記述を得る ことが出来る.さらに核理研STBで得られる2001MeVγ線のように7r中間子生

成開催に近い領域ではq ･舌･ Jl (Krolland Ruderman term)が支配的になり【71, スピン･アイソスピンに関する原子核の準位を調べる最適のプローブの一つにな る･このことから汀中間子生成開催近傍での(7,7r土)反応に対たいする原子核の応

答もspin-isospin励起であることが期待される.これまでもしばしば指摘されてき

たようにβ-decay, (7T,7), (e,e′), (p,P'), (p,n), (n,P), (a,2He), (p,n), (3He,i),など

スピンやアイソスピンに対する選択性のあるプロセスに対して(7,打土)反応は相補 的な関係にあるといわれている.このような運動学的関係を図に,終状態Isobar 関係を図に示す.

(7,汀±)反応を用いた原子核の分光学的研究は,核理研でShodaたちによって 始められた【1ト この実験の重要性は十分に認識されてきたのであるが,断面積が

0    5    0    5    0 211--0 (..uJ)JaJSuCJLumltnuOJq lllll ■■■●■‥● 12C(e,C,128.. jl:-;:.`●12C'Y,n+'l2B tllll 0  30  60  90 120 150 180 0 図2:スピンやアイソスピンに対する選択性 ∼〃bより小さいことや十分なエネルギーを持つ連続電子線が無かったことなどか ら,分光学的には精度のよい実験がなされてこなかった.その後各地で高分解能 (e,e′可,(7,可実験が可能になったのではあるが今日まで核理研での成果を凌駕す る結果は出ていない. 本研究では, llB(7,7T+n)llB, llB(A/,7,+-/)llB l2日4N(7,,T')llB 【31の実験を行 うと同時に標識光子実験全般の整備にあたる.

本研究の目的

大型磁気スペクトロメーターによる低エネルギー汀+,7T一中間子の測定はスペク トロメーター内飛行中7T中間子の崩壊により測定効率が低い.荷電7r中間子は検 出器中で崩壊したり,原子核反応を起こすので,静止したあとの状態とおよび静止 するまでの情報を収集する必要がある.したがって識別する際に多層の検出器が 必要である･打 中間子の場合静止したあと､ボーア半径の志の軌道に入るので 波動関数が原子核と重なる部分が増え原子核に吸収される確率が高くなる.した がって原子核反応を起こす確率が高い. 7r中間子の質量140 MeVが陽子などの荷 電粒子に解放され大きな信号を出すために識別が可能である.〟+中間子では静止 した後弱崩壊するので遅い信号を確認することにより7T+中間子を識別することが できる.冗+中間子測定は,トリガー信号をさらにレイヤーの2次信号とコインシ デンスする. (遅延同時計数法) 本研究では,大立体角で低エネルギー汀中間子を測定することを確立すること であり, 1.検出器のエネルギー分解能および時間分解能について調べる. '2･低エネルギー7T中間子がレンジカウンターを用いて,電子,陽子事象から

4 I I,〔L ･J:卜tr.I .__JT j ‥11'._ ● 一 i

I

∴  ∵

0-Total Cross Section †+n-n +p RcぬⅦ = NP B70 379 BONNー74 dL PR 120614 COM IP NP B75 125 GAIT-74 ● NP8120 395 TORY.77 二 NP 865 158 DESY.73

1恵

tpIBP 10-I 100 Ey(GeV) 図3:素過程全断面積 の識別能力を確かめる. 31 7T中間子のイベントより7T+,7T一中間子が分離できるかどうか 確認する. を目的とする. 開発したレンジカウンターは16層の厚さ2mmのシンチレーション検出器で構 成されている.レンジカウンターでは測定できる運動エネルギーは最大打中間子 の場合ET-27 MeV,陽子の場合Ep-62 MeVである. E汀-27 MeVではエネルギー

分解能△Eq-1･8 MeV,陽子の場合Ep-62 MeVではエネルギー分解能△Ep-416

MeVである･今回製作したレンジカウンターの打中間子,陽子の識別能力を定量 的に評価するために7ビームを用いた評価実験を行った. また本研究におけるもうーつの目標は連続電子ビームを用いた光原子核反応実 験を可能にするために,標識光子実験装置を開発することである.開発する標識 光子装置は,供給される電子ビームが250MeV以下であることから制動轄肘を用 いたものとなる｡本研究では標識光子の光パイ中間子スペクトロスコピー実験を 可能にするためにパイ中間子開催以上での高分解能化を目指した.製作した標識 光子装置は64チャンネルで, ･入射電子ビームのエわレギ- 150 ≦ Eo ≦ 250lMeVl ･ 7線のエネルギー30≦ E, ≦200lMeVJ

･_ γ線のエネルギー分解能△E空1･5lMeV】

である.この光子標識化システムにより従来行ってきた,巨大共鳴や原子核内2 核子光吸収過程の研究に加え,軽い原子核からの汀中間子生成反応の実験が可能

6

検出器

レンジテレスコープ

△E,Eカウンタ-を用いることにより7T中間子までは,粒子識別が可能である 釈,7T',7T-を粒子識別するには,△E,Eの情報以外にレンジという自由度を用いるこ とにより粒子識別が可能になる｡レンジテレスコープを利用することにより,7T+中 間子,および汀一中間子の2次粒子のエネルギー損失および時間の情報を収集する ことができる｡ 図4は準自由過程反応を測定する際設定される模式図である｡前方に置いてあ るドリフトチェンバーは粒子がどこを通ったかを決めるトラッキング用であり,角 度分布の補正の際用いる｡吸収材はレンジカウンターのダイナミックレンジを変 えるためのものである｡後方に置いてあるチェレンコフカウンターは電子のイベ ントを落すためのものである｡打中間子はレンジテレスコープのエネルギー分解 能を図5に示す｡ Plastic Telescope

m狛酎酎山

gr.‥.t･.1..i｣ lJト  L..1J ･l1. Absorber (5-20rTlrrl)

Delayed Coincidencewith7t◆ decay(2.6psec)

DC+ Abs.(〟;5nrTl) + Pl(1 0mm) Pl(2mmX20) + Pl(1 0TTlm> C●ronkov Pi Range:35155 NeV Rang● (2mrTl) 図4:レンジカウンター測定概念図 シミュレーション 7T+のと7T-を識別するためにそれぞれの粒子のレンジカウンターでの振舞の相 違を調べる｡また打一についてはどれくらいの検出効率があるかをGEANT【27】で

RangeTelescopeforPions 50NeY 0 鼎 &U ｣ST覿 3 ｷ#3Xv ｢z)?ｨ ｳc ｶUb ∽ ∽ ○ ･｢■45NeV,!日. ｺ2 illtLl i 楢 "

肌附 ∫ l ﾂ

2 e2

x5"

50100

Thickness(mm)

図5‥ 40 MeV7T中間子,陽子エネルギー分解能 調べた. 7T+ : 7T+中間子が検出器中で止まってからFL中間子に崩壊する時間を利用して7T+ のレンジをきめる. 7T- : 7r中間子が検出器中で止まって原子核に吸収されたときに7T中間チの質量 が解放される.そのとき検出器より発生する荷電粒子にともなう大きなパル スハイト(スター)を見ることにより､汀 のレンジを決める･ 設定条件 2cmの吸収材と厚さ3mmのNE102Aプラスチックテスト検出器を全部で4層 (各層につき4枚の厚さ2mmのプラスチックNE102Aで出来ている･)からなるレ ンジカウンターの前に置き, 7T中間子のエネルギーは30MeVで入射させてシミュ レーションをおこなった.またイベント数は1万イベントで行なった. 7r+,7T-2次粒子の比較 図6は,上図が7T+の2次粒子を表した図で,一方下図は7T-の2次粒子を表し た図である.また図6は,途中の反応の過程の中でどのような粒子が発生したかも

8 分かるようにするためにトラッキングの最中発生する2次粒子全てをヒストグラ ム化した.粒子対応は, 7:1, U‥2(反中性徴子を含む), FL+‥3, pl:4 e+:5, e :6, p (陽子)‥7, n (中性子):8, 3H (三重水素)‥9, d (重陽子)‥l°, α:ll, 7T+:12, 7T-‥13, 7TO:14 50000 25000 20000 1 5000 1 0000 5000 0 1 4000 12000 1 0000 8000 6000 4000 2000 0 0    2    4    6    8   10   12 p(】nicle 7r 14   16   18 0    2    4    6    8   10   12 port;cle 図6: 7r+,7｢2次粒子比較 14   16   18 打-は検出器のなかで静止した後ボーア半径の約300分の1の低い軌道を回り原 子核に吸収される確率が高いので原子核に吸収され,原子核と反応を起こすので陽 子や中性子の数が多いめに対し, 7T'の方は原子核に束縛されず原子間ポテンシャ ルの安定点に留まる確率が高く原子核反応がほとんどないので陽子や中性子の数 は少ない.また1万個の打 を入射させた場合陽子も中性子も重陽子も約4000個k から5000個生成されていることが分かる. さらに7T に関して更に定量的に見ることにする. 1つの例として7T 30MeVで シミュレーションを行なってみた.今回の実験でのトリガーカウンターの厚さ2cm を考慮した場合7, 8レイヤーに静止する打中間子運動エネルギーに相当する.図 7はイベント致1万でシミュレーションしたときその粒子が検出器のどの場所に止 まるかを検出器ナンバーで示したヒストグラムである.図7の真申のグラフは,棉 軸をビーム方向の座標で示した図である.(ただしこれらの図7,図8は空気層で静 止する7T一中間子及びレンジカウンターの前にある吸収材で静止する7T 中間子の 数は除いている.レンジカウンター第-検出器は検出器ナンバーは21である).そ

れによると, 7T十も7T-も1万個入射させたとき約9割以上が検出器内に捕まるこ とが分かる.また7T+, 7T-とも静止したレイヤーでほとんど,それぞれFL+,陽子が 発生していることがわかる.これは原理的にレンジカウンターで打+,7T が,静止す るレイヤー付近のエネルギー損失および時間の情報で粒子識別できることを示し ている.実際には,この9割以上の打ー中間子の全部が全部捕まえたと実験的に判 断はできない.検出器に7T一中間子が静止した後原子核に吸収されたときの解放さ れる粒子のエネルギー損失による大きな検出器内の発光(スター)で打 中間子を 捕まえたと人間は判断するからである.図7の一番下の図は, 7T-中間子が静止し た後原子核に吸収されて,陽子,重陽子,三重水素, αの中から少なくとも一つ を放出する7T 中間子をど-ム方向の座標で見たヒストグラムである.それによる と,もし仮に7T一中間子が検出器の中で静止した後発生する1つ以上の荷電粒子お よび荷電重粒子がすべてスターとして検出器でとらえることが出来たとすれば最 初に検出器に入射した打 中間子の4割を同定することができる. 1 0000 7500 5000 2500 0 4000 20(】0 0 一oo° jOOO 2000 1 000 0 lD580 AJecn17.71 RNSO.1963 0    5   10  1 5   29   25   50   35   40   ●5   50

p.on dop pot･t.'orl(cm)

lO50t LJeqn26,89 RAJ50.6063

0   5  10  1 5   20   25   50   35   40   ▲5   50

Stopp●d Loler

lD499 LIe○lヽ17.72 RNSO.1925

0   5  1 0  1 5   20   25   50   55   40  45   50

plOr.事tOPpd cnd dbsyb●d c,q･t(co｡,di叩t●.Cr,1). Lo q●rlert⊃t○ ○【Hho･qtd pcrt･cJI CIt一〇CIt

図7: 30MeVの7T一中間子を入射させたときの静止位置 7T+中間子は弱い相互作用で2体で崩壊する.そのとき放出されるFL+の信号を見 るためには,打中間子の速い信号をとそのあとに出てくる遅い信号を見る回路を 見る必要がある.ADCの情報とTDCの情報2つあるが,そのうちでTDCの情報 で7T+の崩壊を見たほうが,生き残り時間(26nsec)と,確率的に指数関数で崩壊す るということがわかっているので時間の情報で見た方がより7T+であることを同定 しやすい.ADCの情報では, 7T+がレンジカウンター内で静止してから崩壊したFL+ 中間子がどのくらいのエネルギー損失をして打十中間子が静止したレイヤーから何 層目で止まるかなど,さまざまなことをシミュレートして7T+中間子を区別してい

10

0   5  1 0  1 5  20  25  50  35  40  45  50

Stopped loyer

図8: 30 MeVで入射させた場合の7T+中間子の静止レイヤー

0   5  1 0 1 5  20  25  50  55  40  45  50

muon generoted lQyer(length(cm))

かなくてはならない.7T+中間子が崩壊したFL+中間子がどのようなエネルギー損失 をするかのシミュレーション結果を以下に示す. 100 80 60 40 20 0 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0     5000   1 0000 50 40 30 20 10 ･▲▲J 0 L 15000   0 5000  1 0000  1 5000 ryILJOn Absorbe,(keV)      muorl rE)〔qe 1 (keV)

0     5080  1 0000 5000   1 0000  1 5000

rTIuOn rOn9e 2(key)         r.nuorl r.)nqe 3(key)

図10‥ FL+ェネルギ-損失(吸収材から3レイヤー) このシミュレーションはエネルギー30MeVの7r+中間子を入射させた時のもの でこれは, 7, 8レイヤーに停止する時の運動エネルギーに相当する.このときの 7, 8レイヤーで発生する〃+中間子の数が図9に比べて少ないのは打+中間子が 停止して崩壊する〃+中間子の運動エネルギーが小さいので(約4MeV)空気中で 停止する〃+中間子の数がGEANTのシミュレーションによると多いからである. ここで本当に7T+中間子がFL+に崩壊する際, FL+中間子の運動エネルギーが4MeV 位になるかどうか見て見る.終状態の2つのレプトンの重心系における運動量をk とする.エネルギー保存則より

m汀-握7両+lkI

lkl-m2 -mZ 7r 2m,,

運動エネルギーK-匿希mp窒4MeV第7レイヤー第8レイヤー付近で約

4MeVのエネルギー損失のFL+中間子の数が増えているのがわかる. 7T+及び7T-の2次粒子崩壊時間スペクトル 図13は, ＼･erte:くから7T中間子が検出器のなかで静止して崩壊するまでの時間を 表している.上図は7T+中間子を表し下図は7T 中間子の飛行時間を表す.

12 35 30 25 20 15 10 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 2 0 7 tn 2 0 7 1L) 2 2 2  -  1  1  11 5000 10000 15000 0占 5000  1 0000 1 5000

r'IL･On 'qnqe 4(key)        muorl range 5(key)

0    5000  1 0000 5000  1 0000  1 5000 rrlL･On W9e 6(keV)        rnL'On rE'nqe 7(ヒev)

図11‥ 〟+ェネルギ-損失(4レイヤーから7レイヤー) 25 20 15 10 5 0 22.5 20 175 15 125 10 7.5 5 2.5 0 0    5000  1 0000 5000  1 0080 1 5000

muoMonqe 8(▲eV)         rT.LJOn ,Cnge 9(keV)

35 jO 25 20 15 10 5 8日J 5品 ■ 1品"｢5ふn Oonl■ ふ ■.蒜⊥7品

rTIL･Qn 'qnqe lO(keV)        〔uon rorlqe H (keV)

350 500 250 200 150 100 50 0 0      50     100 150    0      50     100 ¶me (nsec) 図13: 2次粒子崩壊時間スペクトルの比較 打+中間子を同定するためには,汀+中間子は,弱い相互作用によってIL+中間子 に崩壊するので, 7T+中間子の信号と同時に遅れて崩壊発生するFL+中間子の信号 も遅れ同時計数を取る際に必要である.そのためには, 7T+中間子が検出器内に静 止してからどのくらいで崩壊するかを知る必要がある.上の図13から7T+を同定す るには,.約0.2/J secのゲート幅で遅延同時計数をすれば十分である.また13下図 のIT -は7T +に比べてFL中間子に崩壊するイベントが殆どないのが見て取れる. 7T+および7T のレンジカウンター積出効率 下の図14は,各レイヤーに7T+,7T一中間子が静止および通過したイベントを取り 込んだヒストグラムである.横軸はレイヤーをあらわす.20番目がトリガーカウン ターをあらわし, 21番目以降がレンジカウンターをあらわす.上のグラフが7r+中 間子をあらわし下のグラフが7T 中間子をあらわす. これによると原子核反応で検出出来ない7T+中間子及び打-中間子は7レイヤー (numednumberは2 7)で1万個の7r中間子を入射させた場合, 7r十も7r 中間子 も約9000個なので,約1 0%レンジカウンター内原子核反応により検出できない ことになる.ただLnumednumberはGEANTの中においてレンジシンチレーショ ンカウンターを識別するための変数である.

ビームテスト

電子ビーム 実験はKEK田無分室電子シンクロトロン72エリアにおいてエネルギー約350MeV の電子ビームで行なわれた.(Rateは約100event/sec)またキッカーマグネットⅠⅠ電 流値:187.2Aペンディングマグネット電流値:174.5Aである.電子ビームを使って レンジカウンターの後方に厚さ5mmのトリガーカウンターを置き行なった.測定

14 1 0000 8000 6000 4000 2000 0 1 0000 8000 6000 4000 2000 0

Ill 免ﾂ lD50 Entrl'eS70520 Meon23.70 RMS2.ー56 Ill 0   5  10  15  20  25  30  35  40  45  50 T'Iumed number Jtf 免ﾂ lD50 Entr;es69345 Meon23.65 RMS2.日1 lll 0   5  1 0  1 5  20  25  50  55  40  45  50 numed rluJ･Tlber 図14: 7T+,7T-の検出効率 回路は図15に示す..KEK田無分室電子シンクロトロンでは,電子ビーム取り出し 付近にKMI,KMIIと2つある.電子シンクロトロンで加速された電子は,ビーム取 り出し付近にある吸収材に当たり,エネルギーを損失した電子は軌道を内側に取り 1/2ベータトロン(マグネット2個分)進んで中心軌道からもっと離れた(40mm) ところにKMIがありそこで最初に外側に振られる.さらにここから1/4ベータト ロン(マグネット1個分)下流,真空路外側にKMIIが設置されている.そこで最終 的に電子ビームはシンクロトロンから取り出される. ディスクリミネ一夕-のしきい値は各検出器において電子エネルギー損失のパ ルスが十分入るように設定した･検出器に入射する電子数は100 event/secであり deadtimeおよび偶発同時計数はない.それぞれの検出器(プレート)と,トリガー カウンターのADC領域で図16のように電子エネルギー損失領域にカットを入れ (理由は電子エネルギー損失領域の,イベント数が多いと考えられるのでTDC時 間分解能Uに一番効いて来ると考えられるから.),その領域のTDCイベントをガ ウス分布でフィットした. 測定されたの時間分解能は, q-I(qz･)2+(q&i9)2で決まるのでトリガーカウン ターの影響が入ってしまう.しかしながら実際にはトリガーカウンターの厚さはレ ンジカウンターの厚さより厚いのでcrは殆ど検出器の固有の時間分解能と考えて も良い･ここでqi,qti,9はトリガーカウンターおよびレンジカウンター検出器固有

図15:測定回路図 _u l コー

≡iSi

トトー｣LL L.｢1.㍗:｣←LL.ト ｢ lウ    ･' (r'一Il ■ . rr;｢･ ■1. rllつ.) ･i hー_  .IL'....    l I ■lI       . ■.-._ l ｢ lr一､ 二:り ｣･ -.. ,ウrl.‥ここr:こ :け｣I.1㌧TI Pエ.I. I F      十こ= ..1...1 1...1... ITi･T T仙｢ -〇 p, Ill _ ･q 図16‥ Detector2 Layer2(レイヤー6).下図2つは最小電子エネルギー損失でカット をかけたことを示す.

16 ■ ■ F=コ

ド

育,. 1● ●■■■一一 ●■一■一-

●./ ,一一′^... ｨ耳蒔H42

の時間分解能を表す. o z     4    1    ■    10   17   14   11 lJ1一

-- 図17‥ Layer versus Energy resolution(keV)(電子ビーム(es),β,宇宙線)

仙 川 ㈱ 抑 帥 仰 抑

(3eSd)uof]n】ose:Lou

2      4 6  品 10     12

図18: Layer versus Time resolution(psec)(電子ビーム(es),β,宇宙線)

図17が示すようにエネルギー分解能にあまりどのレイヤーも違いがみられない が,時間分解能に関しては,図18に示すようにに前方の検出器(4プレート含) 2 つと後方の検出器(4プレート含) 2つ検出器に関して違いがみられる･この傾向 は, β線で測定した場合と図18に示すように同じ傾向を示す･光電子増倍管の光 電面に到達する光子の数が後ろの2つの検出器の方が前の2つの検出器に比べて 少ないことが予想される.そのためコンピュータコードGUIDEIT【27】とよばれる cERNで開発されたソフトを用いてどのくらいの光子が集光できるかシミュレー トした. GUIDEITでは,シンナレーターの幾何学的形状,全反射,屈折率,乱反射,減衰率 などを考慮し,光子を発生させることにより,集光できる光子の数をシミュレート

できる.光ファイバーによる減衰は計算に入れることはできないので,シンチレ一 夕-の集光面に到達する光子の数までを計算した.GUIDEIT計算では,光ファイ バーに到達するフォトンの数が発生した数の約1 0%(10万個のフォトンをシンチ レ一夕-内で発生させた場合⊥万個のフォトンがゲートに到達することが分かっ た.).検出器の後方に行くにしたがって検出器の大きさが大きくなってるのでゲー ト(シンテレ一夕-の光ファイバーと連結される所)に到達する光子の数は,ゲー トを覆う立体角が大きくなるので,増えることが予想される.しかしながらゲー トに到達するフォトンの数は, GUIDEITの計算では検出器の大きさによらずレイ ヤー1からレイヤー16まで変わらなかった.後方検出器2層が前方検出器2層に くらべて時間分解能が悪い原因は,光電子増倍管の規格およ′び光ファイバーによる 減衰などが考えられる.

光子ビーム

Beam Line 図19‥72エリア検出器のアラインメント ビーム測定条件 ●光子ビーム幅:全幅20mm ･光子強度窒: 105/see ● デュティファクター: 10% 光子ビームによるエれレギー分解能と時間分解能を以下に示す. 図19に72エリアでの検出器配置を示す.図19の実験室系散乱角OLab-41度に 設置した.このとき,幾何学的な立体角は160msrであった.

! it Ft 即 か 糊 Ⅶ St FqIJq･P一-APJq7 ∼.- L■■■ 図20: 7線による検出器エネルギー分解能 止d Tt■【I ●00

巨

E ■00 JO ー叩ldq一一 lJ■一 図21: 7線による検出器時間分解能

回路

HV及びタイミングの調整 図22に用いられた回路を示す｡レンジテレスコープ及びトリガーカウンターは シグナルスプリッターのあとに,リニア増幅器を入れた｡またディスクリミネ一 夕-の閥値は90sr β線源で,最小電子エネルギー損失のパルスが100mV-150mV になるようHVの値を決定しすべてのレイヤーで40mVに設定した｡各レイヤー 信号のOR回路入力時の,各レイヤーのディスクリミネ一夕-出力パルスはLayerl を基準に幅10msecで△t(Layer lとの相対的なずれ)が土l nsecの範囲になるよう に合わせた｡トリガーカウンターと各レイヤーの信号は4土lnsecであわせた｡全 体の回路系でのトリガー信号のタイミングを図23に示す.各レイヤー信号の和を 同時計数させた理由は､ 7r+,7r-がレンジカウンター内で止まったときの2次粒子 の情報を落とさないようにするためである｡ ∑RCからのシグナルは図23のようにトリガーモジュールで幅50nsecに広げタ イミングを設定した｡

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Cb加● qiEI 劔).I 劔 mI 劔忘 r 剪 劔 薄荐FﾅD､｢ ｢ > ≡ > (｢ ∽ ー< ∽ ー｣ 【1 g

l■ r一li▲tLIr lTrlJJ-C.∼nJ''^M JblAMP D仙=AMP D-■fl`■}AM 叶JLLNI CRyr 冂m I 劔 fﾒ 劔 劔剪劔劔剪血TrtJJfr 劔 I l l 鳴 劔 白 Lr 劔劔劔劔剴 ｸ5" *ﾘ," e2 ﾒ *ﾘ," PrtqJhLArT [lbL.ー 劔剪 劔 CFDL 劔剪 劔 l『『ー『】 劔剪 C7.1)1l 凾ｵこ二二二_=二二｣ 劔剪 劔 匡ト+｢oR 劔剪 劔 ADC CTZE}I 劔劔 劔 Gale D仙川▲N l--I.q 剩 ■一 剪 ∑RC1hND btnmgate [ 剩ﾅF r h ｸ 劔 剪 劔 ｸ5" *ﾘ," 4ﾂ Cﾒ ﾒ ﾄ" CfqL 凵ｼ=二二二二｣ 剪 剪 P 劔劔汎 ﾕ4 U$4Rﾂ IiiE 劔Ll)ー一触- 図22:レンジテレスコープ測定回路図 Ve to ∑ RC  二二 LhJd  ｢ nigger L【■l■亡く 一一一で一i._ ｢     -J■tlt 図23:回路系トリガータイミングの決定

20 ADCショートゲートとロングゲート 7T+中間子の崩壊信号のリニア信号をADCにとりこむため図24のようにショー トゲートとロングゲート2つを作った｡ 40nscc shcnGate -Y LongGa(C ｢ - 100n父C i-図24:ショートゲートとロングゲート

遅延同時計数回路

.      1

堕岬｡打

8.4mG出}｢l TdAZq ニ_Coins ∑RC vetoI SLIrn(LAyCT i + LAyq l◆ 1 ) Tnggq Gaze ud a ICo.J一一fb, TDC i こ｣｣ tining Tl=_三≡志 10Lq ときi ヽdy.◆l 図25:遅延同時計数回路 タイミングは7T+崩壊を検出するために遅延同時計数回路を用いた.図25のよ うにプロンプト信号の後ろ△T土lnsec図25の精度でトリガーを設定した｡この 遅延同時計数回路では,△丁が小さすぎると,プロンプトの信号が遅延トリガーゲー ト内に入ってしまう｡一方で大きすぎるとその分2次粒子の信号を検出できない｡ また各レイヤー信号のディスクリミネ-タ-の出力信号の幅をあまり広げすぎて ち,その時間内に崩壊したq+中間子の信号を検出できない.したがって検出効率 を下げないためには,なるべくプロンプト信号の方形波信号の幅を小さくとりまた プロンプト信号が遅延トリガーゲート内に入らないくらい小さく,ジッタ-△丁を 考慮する必要がある｡また､検出効率を上げるため,遅延トリガーゲートの幅を大 きくしすぎると,偶発コインシデンスの数が増えるのでそれも問題である｡今回の 実験ではタイミングを図25のように決めた｡プロンプト信号のゲート幅はディス クリミネ一夕-の限界幅に決めた｡図25のようなタイミングにした場合,セルフ信 号を含めない場合プロンプト信号が出てから約11nsecの時間内に出た2次粒子は 検出できないことになり42士3%の7r+中間子が検出できないという計算になる｡

実験結果

事象構成 全部で1から36までのランのうちデータセットの条件として,検出器の配置条 件の同じデータを選び,電子エネルギー損失ピークチャンネルおよびTDCチャン ネルが各ランでい一致してることを確認しデータを足し合わせて解析した. ェネルギ-較正ははじめ平均電子エネルギー損失およびペデスタルチャンネル で行なった.さらにエネルギー較正の精度をあげるために,陽子を識別し再エネル ギー較正を行なった.陽子を識別する際,TDCのTrue領域にゲートをかけること により各レイヤーごとに通過および静止する条件を課し,データを作成した.陽子 d)'分離は各レイヤーの隣接する△E,△E相関散布図より識別した.陽子のイベン トを使った再エネルギー較正より,チャンネルをエネルギ-に変換したヒストグラ ムを作成した. 7T中間子を識別するために△E,△E相関散布図より,7T中間子イベン トを落さないようにそのエネルギー損失を考慮し,電子のイベントを落した. 7T中 間子スペクトルは再エネルギー較正する際用いた,陽子のイベントを電子のイベン トを落したスペクトルから差し引く形で求めた.打+中間子を識別するために遅延 同時計数回路で測定したTDCにゲートをかけた.このときセルフ信号にはプロン プト信号とデイレイ信号の両方入っている可能性があるのでセルフ信号は除いて ゲートをかけた.セルフ信号を含めてゲートをかけるとプロンプトのTDCスペク トルに2つの山ができるのでセルフ信号を除くことができる. エネルギー較正および時間較正 測定データから回路系および検出器の配置条件が同じものを11 run抽出し電子 ェネルギ-損失のピークチャンネルおよびペデスタルチャンネルにより,ショ-ト,ロング共レイヤー16台およびトリガーカウンターのエネルギー較正を行なっ た.なお電子エネルギー損失のピークチャンネルは,ピーク付近をガウス分布で フィットすることにより求めた. さらにエネルギー較正の精度を上げるために,陽子の粒子識別をした.その際,上 で述べた条件が同じllrunをすべて足し合わせることによってADCスペクトルの 統計をあげた. 陽子スペクトル分離手続き レイヤー通過条件を課したデータを作る. 11runの各runに関して,各レイヤー までは通過する(それ以降のRC検出器はゲートをかけない･)イベントデータをそ れぞれのレイヤーごとに作った.粒子が各レイヤー検出器を通過するという条件を ∑RC⑳Triggerのトリガーと検出器のディスクリミネ一夕-の出力信号のTDCの True領域を使って課した.偶発的に一致するイベントが図27で見れるようにTrue

22

0      200      400      600      800     1 000

ADC Short Detector1 Loyer4

図26:電子エネルギー損失フィッティングショートレイヤー4(図ではDetectorl Layer4)ADCスペクトル なイベントが圧倒的に多いので厳しく決める必要は無いのでここでは各検出器,10 チャンネルから3000チャンネルの範囲をTrue領域とした. またさらに陽子を識別するため電子のイベントをとり除くために,各レイヤー手 前適当なレイヤーまでのADCスペクトルの電子エネルギー損失ピークチャンネ ル以下を落とすことで行なった.このとき電子エネルギー損失のピークチャンネル (約400keV)以下には陽子はいないので問題は無い. 静止粒子選別 あるレイヤーで止まった場合,そのレイヤーより前のRC検出器 すべてに関してTDC, True領域の範囲にいるイベントを選び出す以外に,止まっ たレイヤーより後ろの検出器すべてに関してTDC, True領域にいるイベントを取 り除く必要がある.その際第一段階でも問題とした,偶発的一致によるイベントを 取り入れてしまうがTrue領域にいるイベントに比べて非常に小さいので問題にな らない.レイヤー15の場合,レイヤー16の偶発イベントは114個である.以下に例 として上で述べた条件で分推したレイヤー14で止まった場合のADCスペクトル およびTDCスペクトルを示す. 陽子識別 レイヤー1からレイヤー16までのADCスペクトルのエネルギー損失 相関を見ることにより陽子を,各レイヤーに止まるデータからさらに振り分ける.そ の際前の方の検出器では陽子のエネルギー損失は小さいのでなかなか分離状況が 見えない.一方粒子が止まるレイヤーやその近辺の検出器では,陽子のエネルギー

I.I; =I l I LL i l    一 -耶仙川u｢, 11-I ｢ I- r･･.I.-こ'_･{･=='=r5しっJ rl 図27: True領域にゲートをかける前のレイヤー12(図ではDetector3 Layer4)プ ロンプト信号TDCスペクトル 損失の変化が大きいため2mmのレイヤーでの止まる位置に応じてエネルギー損失 が違うためADC分布は広がってしまう.したがって, △Eの相関より陽子のイベン トと他のイベントのエネルギー損失の差が顕著になる,粒子が静止する後方のレイ ヤーでしかもADC分布があまり広がらないものを選んで直線で分離線を引いた. さらにこの分経線よりも下にあるイベントを落とした場合のスペクトルを以下 に示す.

24 ここ二三一.･-:一㌧ 'ノ,L ｣】,づ√l ･･■_ _ 1' ≡言て L-1,ち . J   ･ノノー ーし.ニr r,･_･ユ●ウニ'1.r:I_3,号r･ ■ l､ ■ -J.       ,/ _HJ ここ･二三一.(.こ<･号:･1.r二Lコ一.!r三 lu lLノ'■ ])ノ LJ I--J. _｢_r'こて●了.I.rJ L3,亡rl _こ,ニ ーjr.:′'[-'- ●.1三｣=.T･r

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図28‥レイヤー15で止まる粒子のADCスペクトルレイヤートレイヤー16(図

ー   ｣  ._･..._･.･._L I  【一 _一 一 ･I1 -14        4 : ･ 1→ TTT     ｢     ● ■1 r･     ■ _-▲=二･･.･..___.ここ_..･. __メ ･-′ ｢; L_I- ㌧  _3.-r_         IL,,       一 一rl JLUJJ_lEE=Ll一.JlJ tEt I :∴ -, 1-.･･AJ･JJ    ｣  rJ-.･ユ  _..･J  3.,_ 1_ ,リ T〇二つ′ユrT.〇● _亡●ぅ二てこrこしコーラ･l T: : 〇rニ-〇･二Lf･Leこ:I.,_'｣=/て′二 . a I t･J/一ヽ =■ . .･ ･V  -･=' '"■ l'=:/-■..:; 1 ■_･■      l一日 ■一･･ ･4A･! 搬二.1言".i_, ＼甘言っ=/,ノ3_,二つJ

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26

⊥ ヽ r-r rr: _- -p' , - _  -r_

∴J _..,      -.∴        ｢JJ.) _一日      lJ'ノ, -【一つ._-1こ･ _1-T･_･二.i _つ.て･_       ･__ r'r:.i,二･ _一･ぅ:･.,i._コ･Trl

図30:レイヤー15で止まる粒子のTDCスペクトルレイヤー13-レイヤー16(図

ではPrompt Detector4 LayerlからPrompt Detector4 Layer4

･;_l.lJ r i ･#･ t･■l･_ Li, 1 : ∫-1')こ..-･ 図31‥レイヤー15で止まるイベントの△E(レイヤー11)と△E(レイヤー12)の相 関プロットラインは陽子識別のための分離線

._ _    √1 三ノ ー  こJ ( l r■1        ヽ ■ ⊃｢ ( .,1一 一 -｣ ... ′ _I- -J T-I:      ;_lr, ユ⊂･二 三- r◆:〆て ■-_･_ _1.i.       -r-_ ユIl･''ノ-∼-I-l r_｣7.号′_ ∴.J  つ..      I JニーJ ーノ 三ノ lJ 〓J つ l  ･-   ･ ここ二三｢.r'こっ`j･二●Jrこし】.1･二      一一. _一二･一 _亡 Lf.I_(.:_i,づ√l -ニご :;し;･'T : ノ     __■ノ    二 ノリ -)_ _∩ ′●二T-1･ ●.,._;.-.†         -し･_ つ一二･■ _-P亡:I_ンr三｣】.ラ･ヱ l山       に●I

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図32:レイヤー15で止まるイベントに陽子を識別するためのゲートをかけたとき

のレイヤー1からレイヤー1 6のADCスペクトル(図ではShortDetectorlLayer1 -Short Detector4 Layer4)

28 ._･..    ';t二つ      =.･ノ      てこ二つ :-･･:-ト･ ■■･.二j-･1.:㌔).-･■二 図33:レイヤー15で止まるイベントの△E(レイヤー11)と△E(レイヤー12)の カットした後のエネルギー損失相関図プロット ㌢∵ ｢:,:-:三 ･ l -■■■lJI∼     ▲ ヽ_1 】 ･T'= '.'1･;! 1 ･  ::ノノ  ー hJl 〟 I Pr-,r【∈'し一'-:-卜/I L.つJ-′T つ  1-.二二  二二JJ _∴L_ J:■つ二 T:･:Pr′'nEI⊃て(7.㌧rl L3,=r3

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I.,≡,,.. l ILJ.ul｣山JJ⊥lu ;山n l【■lZ I I刑I J JJuJi⊥1. ∵…‥∵‥‥…,山 ㍗".LL…L…｢m -Tp･:h. 1日付目-1"｣

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311 工●,-=三㌻二一 一 1′., 1,H.-,."!.HII ー….チ.二 二】;=一‥ .T - /I_1 リ 一一 二ノ  ⊥ 一J ･f J メ Iノ  ｢  ′■ ]こ  J PJ r l ･-+__◆).二,Ll〓I lLLl. I_ I L･211 . . /I '- _.lLIL 二二:ミ-.r･ I.1､1- . ､一. -･ - ･･ 二二二: 1･:I:-J ･:?,Lこ〕三::-. ;二二:'J l｢ =-.･つ.-J l二･:H: ‥'- ⊃‥ー /  -- ,'一･一 ( . ･ユ･l .T･.      -__-.∩-_r'`_う●て_ .･_ _つ.T･,_ ,了 図38:レイヤー14で静止するショートADCスペクトル(レイヤー1-レイヤー6) ーノ  lJ  ｢一 r.J L.ノ J '.1  l 三,I-.,.,-◆.tJJ)〓JLlJL ( , _ ノ         り  _二･】-J 1-, -J -〉. _r r'rL･一一  ′ ] 山     ノ rl レ   ･･. 5･lJ ニー   ｢:■  ユニ こ弓11

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I ___v A/TlJJ. +,]二一一二). l〓=l,.H. ･l 享-I....-≡.i..ニー.Jf: L.L_ _ _.Jノ ⊥   うー'-'う:ノ'J :二二■..-, 1: T,;=:.二:一-･うrユニニ.ラ,I 図40‥ レイヤー14で静止するショートADCスペクトル(レイヤー13-レイ ヤー16) ･■ )  J  =  ノ1-JJt. lJ EJ -   ノ 一ノ If ▲｡,,㍗,+して=㌻▲ulull ぷ ･.:T.. 11Th 11∃ーー-rTl I,1叫  _一.つ】 I■.■/ 1-Jv'1  - 1 ; ここ二L二∩ト亡●一'1,I L.つ一づrI.亡/･   lC･･二L.･･,r; [･T･･･.:･.r; ｣3.-r_.ウノ F一       事 一三一一一一･二二→ 1 -        JIJーJ } 一 一 1ノ ･f  ･･- ,I  --L-.El .∵JI lIllrI,*4,,,.Il,.A-I 1'p-    ■一 (. 1 --_-I I一 二二二｣ノ"】    _:･-rJ･･-J･    ユL:.:し-;[一一･.' い一r-･ しこ亡一   一■ 1 l 日   i l ∴  11｣ fIr,ill..=J,已.Z.こ] こ し 図41:レイヤー14で静止するロングADCスペクトル(レイヤー1-レイヤー6)

36 一 l J,.ll(≡,1-"IIE I iJ･rll㌔ 〓ノ  ⊥ __つL･,,I.･      二.L rブ_･･-IllllrIIIIIIIrllIJll,IIl rj<r一t L■■● LA11) tHll ＼ ､ご  ..1.∵ __∴ ユニ.I, r/J' ･lH. ･J..J      ー･ 1 -,.J r1..Jノ1.J_J ･/J1-号･で･･r:/.･J,lL･,･･    ここ･二L '･;｣,･'っ･'･=｣一･や√二･J 】 :=･ '∼ TT}+IL=一-こ=-=,tr〓 I r ･f r I l･ ㍑ 117. rTPJT tPI Lh つ  ここ,つ.-J i-JCつ･L,.AJ二つ rJつ-_ Ⅰ二つ二･二   つ  二'J･つつJ二二.;. r-/Jつつ まつ-J二1二:.J// _. ｣-,r･l L.そ◆･=二･-_rJ LT1.1=,_･･そ, l     ユこ▲,:し〕ngこて†そこ'ユ'3 LJJerl一･号■･ J 図42:レイヤー14で静止するロングADCスペクトル(レイヤー7-レイヤー 12) J II;･T .iいー ー   tllこE11h一L=,.-‡

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:T二H T二TTJ-二 :二::I:tこ:7 -   L l _ ) ー′ ユ;.I(:-■【●T!'-I._ .L}･■ 図44:レイヤー14で静止するトリガーカウンターのスペクトル l--:ド:: 【ノ .っノ_  繕マ 'r,二〇･′r･〇■〇･f'T･ I ,i ｣.づr T二二P'･,rr〔-ニー'T･.●ノrlしっ.･''J 7__l        二5･.  5_:･      1:_. ':一〇(-,rylE':･･●▲- .,1 ｣1.-･:       TC.二戸r)r.lFP r_J■一･㌧r･l L1.一rJr __  1.:E ■小 一 - ヽ▼ l _j-L-_   ･二 こ.一｣L_-__1 <1.･⊥ 7,.rT･-tr･ -JJ' ･ギ l _r'1 -  __こ▲ユJ ｣一｣山J ') _ __ ･･rE      _I.' I_LJ.-._ 図45:レイヤー14で静止するプロンプト信号

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図46:レイヤー14で静止するプロンプト信号 亡=1=E｣JuJLtL_ LJJトU.LLLL.JLU IlJ   一り   一,I ?八       1.ここ-J T〔:芦･ r-.●こ-◆･ ■ rl｣1.-,1      Tr_･二r--(.rTLり一P-.I ′lL;.-,二 .-一       二 - 一 字_二二 Tr H  ･T. ･･こ.･･r M.･TI-I-【r･一･･ ･･L ･Il 図47:レイヤー14で静止するプロンプト信号

( 解析する際にもゲートをかけないことにした.最後の2レイヤ-を除くすべ てのレイヤーにゲ-トをかける必要があるかどうかは,△E,Eの2次元相関図 およびそのE方向への射影を見て現象論的に決めた.図56エネルギー損失相 関図のゲートをレイヤ79までにしたときの電子を除いたスペクトル(レイ ヤー1 4で静止する場合.)を以下に示す. 一 - 一 一 一 一 一 i =1- 〓しこ｣ -L=一:.L=.｣  【 ユ   ー      rLl  ･7    ] I:.?I コ ■   ■  ` p l r E<,_ J=■ -レ. Jr ′･ノー  l  一′ い       ← 一･ _ノー･･ r _1.一′一 一 図48:レイヤー14で静止する場合のレイヤー1-レイヤー4のエネルギー損失ス ペクトル(電子事象を取り除いたスペクトル) ここで△Eカウンターはトリガーカウンターのエネルギー損失である.Eカウ ンターはトリガーカウンターと14レイヤー分のエネルギー損失の和である. トリガーカウンターを△Eカウンターに選んだ理由は,厚さが2cmと厚いた め分解能がよいと考えられるため粒子識別するさいに最適だと考えたからで ある. 汀中間子を識別するために,エネルギー較正のとき識別した陽子事象を取り 除きのこりの事象が汀中間子エネルギー領域にいるかどうかを各レイヤーご とに確かめる.分推したスペクトルを以下に示す(レイヤー14で静止する 場合) 図61は一番数の大きいところの値をデータポイントとした.また図61の誤 差は一番高いカウント数の半分の値のところの幅をあらわす.この図よりほ ほ7T中間子領域にデータが絞られていることが分わかる.また図61に関して 後ろの方の検出器のスペクトルは広がりが大きいため,データポイントと幅 が確定できなかった.

40 Y- て  r_ ｣一 一 .I-t+.∫ .       1･･J l1....`J r一 ､11.｣ ■1  -′IJ 1 1l L J I.L I uI .T q′･      r J I l A J  二二二LI i/,ニ ー:ニ:こ,三二二･二l二:こ--__ lrJr' Jモ■ウニ■二{-l_つ.づr. ･÷一        一_. J- .''L,--_ _ _ _7.一･一.A 図49:レイヤー14で静止する場合のレイヤー5-レイヤー8のエネルギー損失ス ペクトル(電子事象を取り除いたスペクトル) _ 〕J -l _   .. ･J/. †F J..      L1...1〕 .､･二･L _ 1.l J, -し_ Jn.r _一一 ()LJ.一il ,一        一し Jr r' LJJ P _Lj 一㌧ 一J 〓:】ニー--:LL た= ∼ :･:: I ーJ -{. ･一 図50:レイヤー14で静止する場合のレイヤー9-レイヤー1 2のエネルギー損失 スペクトル(電子事象を取り除いたスペクトル)

Tl17十･Tl†1上川･.f刊 1- .       1Jノ _   -I ､ ユ 1:二二.二 '≡-,二｢ ::I::二   ノ ー一･二一二〝.-Ji･'1'l L7･そ′J.三･     一∴ユーつr･_ウ･一二･_'1_3.-1二.→ 図51:レイヤー14で静止する場合のレイヤー13-レイヤー16のエネルギー損 失スペクトル(電子事象を取り除いたスペクトル) √■ t 一 二｣ l 一  一 一㌧ -つ     I .:J.〕 i_- -J 一日     ノ    ー･   ヽノ ･リ .レ 一㌧ JLJ LLLLr｢ト｣.LJ J rLJJL.ー _pI 7'.,, -I l l ･ 1     ･ _1     - ･ ., 二二･jrLJ lrJ∴ 7.㌧.ニ ラニ: I‥.J lL'■●;≡ l･,-r ･-, '-･卜･- I ･･1     1一一･つEJ.),,･': .=･l･jこ?,｡,, .lL1 l L',l,..! ]L' 拝±±±±±弐 i LJ trL,｣.).｣ ∩.   (リ    lノ .ト ト ､･一一一一_一一一一一一･･･一_.__ ■-●._ー■ __ _J-ト･ ･･ 図52:レイヤー14で静止する場合の隣接レイヤー(レイヤー1-レイヤー5)エ ネルギー損失散布図(電子除去)

42 -,..I,..I,,1 l l TLIYi _    _  '1.三 . _ つ.., .V一     一  二一_-J ⊥ 1- 1ご     J l･▲ 1-      -l ■こ J..,l l I.I...L Jt I rlL ｢｢-一-  一 ′> ) _ハエ 1二一一        .J･,__       .‥_ ゴー`二三 っ,一･' -.つ-･1-.こ つ.亡rヨt        ト･-一 ･ユ･-図53:レイヤー14で静止する場合の隣接レイヤー(レイヤー5-レイヤー9)エ ネルギー損失散布図(電子除去) ｢.. L I l1]｣ 1L t｣.L LL｢■.ド ■t:I i L lト1LLL LI.JJ.14卜LJJLLL .i;

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1 '･r 】.-,.∼ Jl-■●】= 】 図54:レイヤー14で静止する場合の隣接レイヤー(レイヤー9-レイヤー13)エ ネルギー損失散布図(電子除去)

I I'二...1..,l [ 二 二 二 1 4,..L . :- ∼ : 1.‥ ■ :.L = r T,'町 ,. . .il■   ___■｣1   1■ プー●7-_ つ.一･ド ニ1-･･;-I-1.17･lF 図55‥レイヤー14で静止する場合の隣接レイヤー(レイヤー13-レイヤー16) エネルギー損失散布図(電子除去) l ′ _ らI ヨノ ー〕■ ;ノ _JJ i . .,･   T) F- [ 監__盟 J l ■ ■

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I: ■･l一一  トpl三人.1T･･･       l-.t号ユTl. r｣】.∼;⊥トー 図56: △EvsE散布図とそのE方向射影(上図右)とレイヤー13+レイヤー14の エネルギースペクトル(下図)

44 .I,:lこ.lI:L:.一:.):Il:.I.:I __ Jrノr _一･=  r LJ -  -      ､ー ′†し--- J' 1 l  _ 】   J l L一   L LLJ一 ｣ I｡ - 1 .-..■lll.･.･.･.･■ Lu L  -:こ   l  - 】 r I _ l,I.I. ijつ.:I 7日,- つり-      _∴一 一ノー ( . 一･･ノ ノノJlノ _一.二･1..･Jモ･.e;･-/I L-J=r_.づ      ここ:ち,Lつ'tLて-I:てこr 一一二･一′-..!･ 図57:7r中間子スペクトル(レイヤー1-レイヤー4) r.;A. ｢∵J EL:J1:LlIト】LJ｣ rlJ 1..., :｣:.. TiH P‖ r L岨 LーJ-rHJ _-･･    ':Ill 1J . ′ .. .  TE:r.二  ｢ ,       ･ ,JLJl･t _こ ｡ノ' CJっ一一'こい/-,T･- i    -C.:･h′rIrJ-l- ･･こし7I."一･一日 日   豊_盟 r      1 1 1 ｣ →       l l ト 】 -･･うr _ _】 /■こトー 図58:打中間子スペクトル(レイヤー5-レイヤー8)

l L I L l 171 I I EI."I."] ] L.T..I")..T. 1 i L__ TJ. I.T… ･.1..7.Tl 一  ユ  .J1  r J I _.了(_ ∫.e, 図59:7T中間子スペクトル(レイヤー9-レイヤー12) ｣■㌧ JIr .こ,:1,. r LJ-･ -'      LIL  一｢ .I -一一一  r◆｣ 一r _-LITr=TtTT]=7! ー   ･ノ   ーー 二ご 1 ll 図60:7T中間子スペクトル(レイヤー13-レイヤー16)

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LJyr 14叫∈叩し… ∼ PIOn idbMtricb

仰 納 仰 加 抑 叩 【>q)一fOIJB,Jtl) 8 4 LJP 図61:レイヤー14で静止する7T中間子エネルギー損失計算値との比較 8レイヤー域のレンジをもつイベントデータについての解析結果も以下に 示す. 今回の実験では,回路のところでも説明したように遅延同時計数回路をつく ることにより,崩壊信号を見ようとしている.条件としてさらに各レイヤーに 静止したデータセットより,レイヤーがプロンプト信号を出した時間Toより 遅延同時計数である部分にゲート条件を課した.その結果を以下に示す. 7T+粒子は遅延同時計数回路による識別方法をとったが,遅延同時計数の事象に ゲートをかけた結果,8レイヤ-の例ではレイヤーの各エネルギー損失スペクトル をみても打+のイベントがいるかわからない.電子のイベントに隠れている可能性 もある.エネルギー分解能のよいトリガーカウンターのエネルギー損失スペクト ルを見て見ると8レイヤーに止まる場合打+中間子のエネルギー損失は10MeVで あるが(図69)丁度その領域にスペクトルが隠れているのが見える. 例に出した8レイヤーのスペクトルは2次信号のセルフ信号は含んでない場合 なのでさらに汀+イベントを増やすために,セルフ信号遅延同時計数のイベントか ら2次信号を選び出す方法を考える必要がある.今回のタイミング設定でもしセル フ信号がプロンプト信号と区別できれば,理想的には約4%のイベントしか落さな いことになる. 遅延同時計数回路においてプロンプト信号と遅延トリガーゲートのジッタ-は 冗+中間子の検出効率を落さない用にするという要請から△丁は土lnsecで決めた がなるべく遅延トリガーゲート内にプロンプト信号が入らないようにすべきであ る.実際図65,図66でもエネルギー損失的に電子であると思われるイベントが入っ ている.そのため遅延トリガー信号とプロンプト信号とのジッターは1nsecより大 きくする必要がある.その代わりディスクリミネ一夕ーのゲート幅がは10nsecより もさらに小さいゲート幅に設定できるものを使うことにより,7T+検出効率をあげる ことができる.

一  一   L   -  一  一 l ｢ _ 1JJ -し_ ニn-Jr●:.=P-'一･.T1 1- --■ .-図62:レイヤー8域のレンジをもつ荷電粒子のレイヤー1におけるエネルギー損 失スペクトル 図56のEvs△Eの散布図およびE方向の射影を見ると,14レイヤーで静止する 場合の7T中間子のEは約30かIeVなので,その近辺のイベントは7T中間子である 可能性が高い.しかしながら陽子のエネルギー損失よりは小さいが打中間子エネル ギー損失としてはエネルギーの高いところにもイベントが少なからず存在する.こ れらのイベントは,考えられる打中間子エネルギー損失より約10MeVから20MeV 以上も大きいこれは,レンジカウンター内で打 中間子が原子核反応を起こし,陽子 などの荷電粒子が検出器を通過したイベントであると考えられる.もちろんイベン トが少ないために,断定的なことは言えない.

48 ･IJ ･J ･一 _. . i . l I,, .  =  _ .. ,        __ ノ ● -ノ .I r _-一      一r L一        一一 L/I r一一r一 ㌧′. ｣: Jr_ -･ 一l l.I lr ･I rfT ,一 一_1 rjLIJ -tJJ i -J   ;: 1 ■■･: _メ-J /,つ･- -   1ノー_    1 - 1 :_ ノ _こ --,二J- ,tい-A,- 一      -しーt汁, :i-･  ｣ュJ'- J

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ニ-...言㌦-I  't  二･ ･一 一二 二 一 T t i ー   ノ  ■■ _ _ _( I-■一'÷ー' ∫ _1.Lfr. ･J. 図65:レイヤー8で静止し同時に遅延同時計数するイベントである場合のエネル ギー損失スペクトル(レイヤー1からレイヤー4) 二･L LLIH｡il.叫..17If.IIIT,I,7,,Iぎ二u[ ノ .1 一 .ノ .ノ  rノ      L 7   L㌧  一lノ  ･† ■ ll _ -I ･ ､ _ . ∴､ ･ r-L.      1-. . . =LJ7:i:"7=t:LrTTこTl ､ ■ ｢ .J ･JJ  ｢  .JJ r. I.  Itノ  r､一 r J f J r-｢ .打計れTThn-ll.H(.. ■ こ-図66:レイヤー8で静止し同時に遅延同時計数するイベントである場合のエネル ギー損失スペクトル(レイヤー5からレイヤー8)