239■談話室

CERN Summer School 2011 参加報告
東京大学理学系研究科物理学専攻修士１年

田 中良 樹tanaka@nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp
2011 年 10 月 30 日

1 CERN Summer School の概要
僕は 7 月 3 日から 9 月 10 日まで 10 週間，スイス，ジュネー
ブ郊外にある CERN 研究所での CERN Summer School(2011)に参加しました。
CERN Summer School は，世界各国から学部後半  大学院の学生が 200 人程度集められ，CERN に 8  12 週間滞在し，研究生活を体験できるプログラムです。日本からは今

図 1：MCP 検出器の原理年，修士 1 年の 5 名が参加しました。各学生には，事前の希望調査をもとに，この Summer School での研究課題が与えられ，指導教官も割り当てられます。基本的には毎日この課題の研究を行いますが，それだけではなく，SummerStudent を対象とした授業(午前中 6 週間)を受けたり，LHCの各実験をはじめとする CERN の実験室見学ツアーに参加したり，学生の発表する機会も与えられたりという盛りだ
くさんのプログラムです。
この場を借りて，僕が今年この Summer School で経験した内容を報告いたします。

2 研究課題Summer School での研究課題として僕に与えられたテー
マは，MCP 検出器(Micro Channel Plate detector)の性能評

図 2：TORCH の全体のイメージ粒子が通過した時刻を割り出すという仕組みになっている。
最終的に， 10 GeV/c の p/K を分離するという目的を達成するためには，光子 1 個の検出に対しておよそ 50 ps の時間分解能が要求される。

価というものであった。この検出器は，LHCb 実験の将来のアップグレードでの粒子識別システムの候補となっている，TORCH というシステムで用いられる検出器である。
最初に，MCP と TORCH のことを簡単に紹介し，次に実際に行った検出器のテストについて説明する。

2.1

MCP 検出器と TORCH について

MCP 検出器は，図 1 に示す仕組みで可視光付近の光子を検出する。MCP で光電子を増幅させることで，速い時間応

2.2 レーザーを用いた MCP 検出器のテスト
MCP 検出器のテストは，レーザー光を可変減衰器で弱めて MCP に当てて行った。最初は，光が当たっている真下の 1 つのパッドからのシグナルについて調べた。次に，レーザーの位置をステップモーターで動かしながら，隣り合う2 つのパッドからのシグナルの相関を調べた。
2.2.1 シグナルの時間分解能の測定答が得られることが特徴である。また，TORCH とは，Time

図 3 に示すようなセットアップで，1 つのパッドからのof internally reflected Cherenkov light の略で，チェレンコシグナルの時間分布を測定した。図 4 のヒストグラムが，フ光を検出して TOF を測定し，運動量 10 GeV/c 以下の結果の一例である。横軸が時間に対応する軸で，1 チャン

p/K を識別することを目的としたシステムである。全体のネルが 6.1 ps にあたる。時間測定のスタートには，レーザーイメージは図 2 のようなもので，quartz plate で放出された装置からの同期パルスを用いており，これは十分に正確でチェレンコフ光を反射させて両端まで導き，そこで集光しあると分かっているので，図 4 のヒストグラムが，レーザーて MCP 検出器で光子を検出し，その時間情報と角度から，光＋検出器＋回路の時間分布を表している。

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図 3：時間分解能測定のセットアップ
図 5：パルス高のヒストグラム

æ¥öf (x ) = N çççå Pm (n ) ´ g(x ; x n , sn )÷÷÷ + (negative exponential)çè n =0ø÷x n = x 0 + n Dx ,sn = n s1(n > 1),

Pm (n ) は平均値 m のポアソン分布，g(x ; x n , sn ) は平均値 x n , 分散 sn2 のガウス分布という関数でヒストグラム全体をフィットし， m などの各パラメータを決定した。
図 4：時間のヒストグラム

この測定から分かることは，次のようにまとめられる。
 時間分解能は，メインピークでは s = 37 ps が得られている。
 メインピークの他に，2 つめのピークが観察される。これは，レーザー自身が第 2 ピークを持つという性質によっていたことが分かった。
 さらに，ヒストグラムには， 1.5 ns のテールが伸びている。これは，光電子が MCP の表面で後方散乱し，再び表面に戻って来てから増幅された場合に対応すると考えられる。実際，後方散乱して再び戻って来るまでにかかまた，この“小さい”イベントに対しては，各光電子が，“小さい”イベントを引き起こす確率 q を持っている，というモデルがよく成り立つことが次のようにして分かった。まずこのモデルの下では，イベントが“小さい”イベントとなる確率は， m (光電子数の平均値)の関数として¥p(m;q ) = å Pm (n ) ´ q n = e -m (e mq - 1)
n =1と，q をパラメータとして表すことができる。
そこでレーザーの強度を変えてパルス高測定を行い，イベントが“小さい”イベントとなる確率をプロットしたところ，上の関数でよくフィットでき， q  14 % と見積もることができた。
2.2.3 隣接する 2 つのパッドの相関の測定

る最大時間は，電圧と光電面から MCP 表面の距離を用

2 つのパッドからのシグナルの同時測定では，レーザーいて計算でき，結果は測定値と同じ 1.5 ns であった。の位置を動かしながらパルス高の相関を調べた。
その結果，2.2.2 シグナルのパルス高分布の測定

図 6 のように電荷が共有されている様子を観察できた。

次に，パルス高の分布を測定した。この時のセットアップでは，ペデスタルも 1 つのピークとして見えるように，電荷増幅器において一定のテスト電荷を足している。結果のヒストグラムの例を，図 5 に示す。放出される光電子の個数は，ある平均値 m のポアソン分布に従い，各場合(光電子 n 個とする)に対して，現実に測定されるパルス高分布は幅 (µ n ) を持って広がる。そのため，観測されるヒストグ
ラムは，ポアソン分布とガウス分布を畳み込んだ形になる。
実際には，さらにペデスタルと 1 光電子のピークの間に，パルス高の“小さい”イベントが余分に観察されたので，それを形式的にフィットするために指数関数を加え，

図 6：電荷の共有の様子(パッドの間隔は 5 mm )

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3 その他のプログラムる人が予想以上に多く，僕よりもはるかに日本のアニメや3.1 実験室ツアーとワークショップ

漫画に詳しい人がたくさんいたことには驚かされました。

実験室ツアーとワークショップは，全部で 20 程度開催さ

まわりの LHCb の研究者からは，夕方や週末をしっかりれました。これらは，メールやウェブで参加者が募集され，休んで楽しむことを大事にするという雰囲気を感じました。

基本的にいつも First come, first served の原理(つまり早い

実際，僕の指導教官とそのまわりの人には，土日に来る人者勝ち)により参加者が決められていきました。そのため，はいなかったように思いますし，平日の夕方も，５時から人気のあるツアーでは，募集メールに 3 分以内で返信した

６時くらいに切り上げて帰り，家族と過ごしている人が多にもかかわらず，すでに定員オーバーなどということもあかったです。日本では，夜までかかっても，つい気が済むりました。僕はそのうちの 3 つ(CMS 検出器(地下 100 m のまで続けがちになりますが，こういうメリハリをつけてしっ本物！)の見学，ATLAS ビジタールームの見学，霧箱の作かり休むスタイルも良いものだと思いました。

成)に参加しました。この中でも圧巻だったのは，実際に地下で見学した CMS 検出器で，CMS の C はコンパクトといいながらも，相当の迫力でした。

3.2 レクチャー
最初の 6 週間の午前中は，毎日 Summer School の授業がありました。素粒子，原子核物理の歴史の話から現在に至るまで，内容も理論の話から，実験の話，検出器やデータ処理の少々マニアックな話まで，多岐にわたる豊富な内容でした。個人的に印象に残っているのは，CERN の Landua

Rolf 氏による反物質の授業です。CERN ならではともいえる反物質研究の詳しい(+天使と悪魔の映画の話を交えた)解説を聞くことができました。

3.3 ポスターセッション，プレゼンテーション
ポスターセッション，プレゼンテーションなど，学生に5 全体の感想，今後本プログラムに望むこと
この Summer School を通して，多くのことを学びました。
もちろん，毎日触っていた MCP 検出器に詳しくなったということもありますが，そういうテクニカルなことだけではなく，授業や周囲の研究者との話を通して，CERN 内外で行われている様々な実験を知ることができ，以前より少し視野が広がった気がします。また，そのような話の中で，日本の T2K, KEK, J-PARC, Super-Kamiokande などが結構話題に挙がり，この分野で日本が存在感を持っているように感じ，(単純な感想ですが)うれしい気分になりました。
そして，物理以外の点でも，様々な国から来た学生と一緒に 2 ヶ月を過ごしたこと，英語だけの環境で研究課題を進めたり，発表を行ったりしたという，日本ではなかなか得難い経験をできたことがよかったです。

よる発表の場も何度か設けられていました。これらの発表

このプログラムを通して，この分野で研究の道を目指し者も，希望者のうちから First come, first served の方針で決たいという気持ちが以前よりも強くなり，そのことを再確まるというルールでした。僕は，せっかく CERN まで来て認できました。このような貴重な機会をいただき，本当にいるのだからとりあえずやってみよう！ と後先考えずに申感謝しています。それと同時に，このプログラムがこれかし込み，ポスターセッションと LHCb 内部でのプレゼンテーらも続いていくことを心から願っています。

ションを両方行いました。そもそも，大学院生になってからこういう発表を行うのは初めてのことだった上に，当然

6 謝辞

すべて英語で行わなければならなかったので，準備では苦このプログラムへの参加にあたり，たくさんの方にお世労しました。発表するまではヒヤヒヤでしたが，プレゼン話になりました。このような貴重な機会を与えて下さった

テーション本番では予想以上にウケもとれたし，終わった

CERN，KEK，特に手続きなどでお世話になった石川さん，後に他の研究者の方が来て，このような解析もやってみた福田さんにお礼を申し上げます。また，現地での指導教官らどうか，と新たな提案もいただけて，実りあるものとなっになって下さった Thierry Gys 氏をはじめとする LHCb のて良かったです。

皆様には，毎日の研究課題において大変お世話になりました。 東大での指導教官の早野先生には，応募の際に推薦書

4 日常生活や週末をいただき，さらに，先生の CERN 滞在中には構内の案内

日々の生活で特に刺激的だったことは，同じような分野もしていただきました。ATLAS 日本グループ，ASUCUSAに興味を持っている外国の学生と，いわゆる一緒につるむグループの皆様には，実験の説明をしていただいたり，BBQような友達になったことです。彼らとは，夕方や週末にどに誘っていただいたりと CERN 滞在中に大変お世話になりこかへ出かけたり，旅行したり，もしくは特に何かをする

10 週間を共に過ごした Summer Student のました。最後に，わけでもなくだらだらしたり，かなりの時間を一緒に過ご皆さんにも，楽しい時間をありがとうと感謝します。

しました。外国の学生には，日本の文化に興味を持ってい