57■研究紹介

T2K 実験 前置ニュートリノ測定器 ND280 Off-Axis
神戸大学大学院 人間発達環境学研究科

青 木

茂 樹

aoki@kobe-u.ac.jp
京都大学大学院 理学研究科

中 家剛

t.nakaya@scphys.kyoto-u.ac.jp
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所

塚 本

敏 文

toshifumi.tsukamoto@kek.jp
2010 年 8 月 22 日

1 はじめにパーカミオカンデの方向，つまり off-axis 位置に設置されてT2K 実験は，これまで何度か高エネルギーニュースで取いる。ここでは， T2K 実験の前置ニュートリノ測定器

り上げられてきたが[1-8]，東海村に建設された大強度陽子

ND280OA に関して，最新の建設・運転状況の紹介を交え加速器 J-PARC で生成した高強度ニュートリノビームをながら簡単に報告する。

295 km 離れた岐阜県飛騨市神岡町のスーパーカミオカンデで測定する長基線ニュートリノ振動実験である。T2K 実験の特徴は，世界最大強度の加速器で生成される高強度ニュー
トリノビーム，高精度の前置ニュートリノ測定器，世界最大級（5 万トン) の後置ニュートリノ測定器スーパーカミオカ
ンデである。さらに，ニュートリノビーム生成には off-axis
法[1]を採用することで，ビームエネルギーをニュートリノ
振動確率が最大となる値に一致させ，高統計かつ低バック
グラウンドを実現し，世界最高感度でニュートリノ振動の研究を可能としている。

T2K 実験ではスーパーカミオカンデで観測したニュート
リノ反応数とエネルギー分布を測定し，ニュートリノ振動がある場合の予想と比較することで振動パラメータを測定する。この予想にはニュートリノビームの特性やニュート
リノ反応断面積の理解が重要で，前置ニュートリノ測定器
でニュートリノビームの測定とニュートリノ反応断面積の研究を行う。前置ニュートリノ測定器は，J-PARC 敷地内
ニュートリノ生成標的から 280 m 下流にある ND280 実験
ホールに設置されている 。前置測定器にはニュートリノビー
１

ムのモニターとビーム方向測定を主目的とする INGRID [8]と，ビームフラックス，エネルギースペクトル，ニュート

図 1

ND280 実験ホールに設置されている前置ニュートリノ測定
器 INGRID と ND280OA の外観図

左下と中二階にタワー状と横一列に配置されているのが INGRID
で，最上階に設置されているのが ND280OA。

2 前置ニュートリノ測定器概要

リノ種類，ニュートリノ反応断面積の研究を主目的とする

T2K 実験が 2004 年度に 5 ヵ年計画として承認され，そND280 Off-Axis(以下 ND280OA と略)の 2 種類の検出器シれと同時に前置ニュートリノ測定器建設がプロジェクトとステムから構成されている(図 1 参照)。INGRID はビームしてスタートした。2004 年 12 月にローマ大学でキックオ

軸中心に設置されており，ND280OA はビームから見てスー

前置測定器建設のための組織，
フミーテングが開催され[9]，測定器デザインの基本方針，役割分担が決まり CDR[10]執１

ND280 の ND は Near Detector(前置測定器)の略。

58
筆２を開始し，それを元に各国への予算要求を行った。このるように，大型中空電磁石(ND280 Magnet：図 2-1 では UA1

後，主だった測定器(ECAL を除く)は 2009 年秋までに建設

Magnet と記載されている)，3 台の TPC を使ったトラッキを終え，2009 年冬に測定器の設置を完了し，2010 年初頭かング，細分割された高解像度ニュートリノ反応点検出器

らニュートリノビームデータの収集を開始した。本原稿執(FGD：Fine-Grained-Detector)，大立体角を覆う電磁カロ

筆中の 2010 年夏には残った測定器 ECAL の設置作業が進

リ メ ー タ (ECAL) と ミ ュ ー オ ン 飛 程 検 出 器 (SMRD:

んでいる。

Side-Muon-Range-Detector)からなる。前置ニュートリノ測T2K 前置ニュートリノ測定器 ND280OA の詳細は CDR，

定器のタイプは後置測定器であるスーパーカミオカンデとTDR[11]に記述されているので，ここでは簡単にその目的まったく異なっているが，これは J-PARC 敷地内ではニューをまとめ，デザインコンセプトと検出器の構成を紹介する。

トリノビーム強度が強すぎ，一体型の大型水チェレンコフ

ND280OA の構成を図 2-1 に示す。

測定器は多重イベントが発生し，うまく機能しないためである３。ND280OA でのレプトン(ミューオンと電子)識別には ECAL のレスポンスと TPC での dE / dx 測定が使われる。
また，スーパーカミオカンデでは電子ニュートリノ探索時に中性カレント p 0 生成反応が主要なバックグラウンドとなるため，その測定のため p 0 検出器(P0D)も設置されている。
スーパーカミオカンデのニュートリノ反応標的が水である
ことから，FGD と P0D は水標的を測定器内に持つ構造となっている。図 2-2 に T2K 実験で観測した ND280OA でのニュートリノ事象の一例を示す。

図 2-1

ND280OA の概略図

ND280OA に要求される性能としては：
1. ミューオンニュートリノフラックスを 5% 以下の精度で

図 2-2

ND280OA で観測されたニュートリノ反応事象の側面図

測定，
図 2-2 では左からニュートリノが入射し，P0D で反応を起2. ミューオンニュートリノのエネルギー分布を，測定器のエネルギースケールの不定性 2% 以下で測定，

3. ビーム中の電子ニュートリノのフラックスを 10% 以下

こし，その後粒子の飛跡が，3 台の TPC，2 台の FGD，最下流の ECAL(DSECAL)を通っているのが分かる。表 1 に

ND280OA で使われている測定器をまとめる。

の精度で測定，4. ニュートリノエネルギー測定の際のバックグラウンド反応である，荷電カレント非弾性散乱を 10% 以下の精度
で測定，

ND280OA の中で日本の大学・研究所の担当はプロジェ
クト総括，施設関係全般，Magnet，FGD，SMRD，各測定器の設置補助にわたる４。また，ND280OA のシンチレータを使った検出器ではシンチレータの波長変換ファイバー読
み出し＋新型半導体光検出器 MPPC[12] を採用した。この

5. 電子ニュートリノ測定のバックグラウンドとなる，非弾MPPC の開発も主に日本人研究者が担当した[13]。

性散乱(主に中性カレント p 0 生成反応)を 10% 以下の精度で測定，である。上記の要求を満たすために，荷電カレント反応で以下では，日本担当部分を中心に ND280OA を紹介していく。T2K 実験の測定器全般に関しては，[14]に簡単な紹介がある。

生成されるレプトンを大立体角にわたり高精度で測定でき
３
２

逸話であるが，CDR 執筆の editor は native English speaker である英国人であったが，なかなか仕事が進まないので，結局それほど英語が得意でない日本人が担当することとなった。

小型の水チェレンコフ測定器は，ミューオンを検出器中で止められず運動量を測定できない，電磁シャワーが漏れエネルギーを測定できないなどで，うまく機能しない。
４ 外国の研究機関との共同担当部分を含んでいる。

59

名 前
P0D

表1

ND280OA の各測定器のまとめ

種

別

鉛 (0.6 mm) ＋
シンチレータ諸4 ND280 Magnet
元• 2.1 ´ 2.2 ´ 2.4 m 3• 16 トン• 10,400 チャンネル• 2.5 ´ 2.5 ´ 0.9 m 3 ´ 3 台

TPC

TPC

• ガス

95% Ar+2% iso -C4 H10 + 3%CF4• 124,416 チャンネル

FGD

シンチレータトラッカー• 2.3 ´ 2.4 ´ 0.37 m 3 ´ 2 台• 1トン ´ 2

鉛 (1.75 mm) + P0D-ECAL で構成
シンチレータ• 74 トン(計 13 台)• 22,336 チャンネル

SMRD

Magnet鉄 (48 mm) + • マグネットヨーク隙間に設置
シンチレータ
常伝導ダイ
ポール電磁石ND280 Magnet は，かつて CERN の UA1 実験のために
CERN から寄贈された。
UA1 実験の後，建設されたもので，おなじく CERN の NOMARD 実験で使用されているので，
T2K 実験で三度目ということになる。ND280 Magnet はMagnet 本体，電源，冷却水システム，制御系から構成され，また Magnet 本体はヨーク，コイル，移動システムから構成されている。
スイス ETHZ の A. Rubbia 氏が責任者となったヨーロッパグループと日本グループが協力して Magnetの作業を行った。

• 8,448 チャンネル• DS-ECAL, Barrel-ECAL,

ECAL

4.1 構成• 4,016 チャンネル• 7.6 ´ 5.6 ´ 6.1m 3 (内容量 88 m 3 )• 900 トン• 0.2 T

3 ND280 実験ホール
ニュートリノモニター棟(NM 棟)と呼ばれる建物に T2K
前置検出器は設置されている。NM 棟の基本的な考えかた
は KEK/つくば での K2K 実験の前置検出器棟と同じで，
建物といっても，前置検出器を設置するための地下の実験
T2K ではニュートリノビー
ホールが主な部分となっている。

ムラインに沿った位置に設置するオンアクシス測定器
INGRID と，神岡のスーパーカミオカンデの方向に設置されるオフアクシス測定器 ND280OA のふたつの測定器系の4.2

Magnet 本体

ヨーク，コイル，架台，移動システムから構成される。
ヨーク，コイル，架台は CERN で保管されていたものであるが，移動システムは DESY の ZEUS 実験で使用されていた油圧機器システムを再利用している。各機器・部材はヨーロッパグループが保守などを行い，輸送・設置作業は日本グループがヨーロッパグループと議論を重ねて進めた。
重量物・大型構造物の設置となるため，KEK の山岡広氏による耐震性にも配慮した構造解析が行われ，Magnet の固定方法，ヨークおよび架台への補強が決定された。ヨークは C 型(日本語だとコ型)と呼ばれる形状であるが，輸送コスト低減のため，これを分解，3 分割してコンテナ輸送し，
J-PARC で組み立てて設置した。
C 型ヨークは一つ約 53 トンあり，実験ホール施設に巨大クレーンを設置して作業を行うと，そのための施設建設費
用がばかにならないため，組み立て・設置は実験ホールが建設される前にクレーン車を使用して行った。(ちなみに，）実験ホールには 10 トンクレーンが設置された。

ために，異なるレベルの地下階を用意しなければならない。

設置作業は 2007 年 4 月から 6 月の 3 ヶ月間をかけて行わ

そのため，実験ホールは，ND280OA が設置される地下約れた。最初に実験ホール B1 に架台システム(約 16 トン)な

23.1m の地下 1 階(B1），INGRID の水平モジュールおよび読み出し機器などが設置される地下約 29.1m の架台床階(SS），INGRID の垂直モジュールタワーの設置床となる地

下約 33.5 m の地下 2 階(B2)の三つの床レベルをもつ構造となっている。
ND280OA の電磁石は測定器が設置されるバスケットというフレーム構造体を二つに分割構成された電磁石で取り囲
み，内部の測定器への設置・保守のために，分割された電磁石が移動する構造となっている。実験ホールの大きさ(直径 17.5 m )は，この電磁石移動ができる最小の大きさ５に決められた。

どを設置し(図 4-1），架台システムを担当しているドイツ
Aachen グループによるシステムのテストを行い，その後に。ヨークに SMRD
ヨークの組み立て，設置を進めた(図 4-2）を挿入設置することから，設置精度として約 1mm 程度で作業が行われた。コイル設置では，クレーンでコイル(4 つで約 40 トン)をヨーク内部に移動すると，どうしてもゆれが起こってしまい，ヨーク内部におさめることが困難そうであったので，クレーンでコイルをしかるべき場所に吊っておき，ゆれがない状態でヨークの方を移動するという工夫。
をしている(図 4-3）
Magnet 設置後も屋根がない状態のため，Magnet 全体をカバーで覆い，
そのなかに除湿機を設置し，
約 6 ヶ月後の(そのときは屋内となる）
作業再開までの期間の養生を行った。
５

ホールを大きくすると予算が高くなるため，マグネットが開閉できる最小の大きさとした。

60

担当者と相談して行った。後述する冷却水システムと同じ
400 V 系に接続されていたが，Magnet 電源に起因する高調波成分が冷却水システムの制御系に問題となることがわか
Magnet 電源と 400 Vり，
冷却水システムを別系統に接続し，を共有しないようにした。
400 V, 1000 A で定格 0.2 T 運転の計画であったが，1000 Aの電力供給では 0.18 T 運転となってしまうことが判明した
ため，今年の夏のシャットダウン中に，現状の受電施設で許容される 1400 A に更新する。

4.4 冷却水システム
図 4-1

移動システムと架台

Magnet と Magnet 電源のために冷却水システムが設置されている。実験計画当初はチラーによるより冷たい冷却水が検討されていた。しかし，予算の面から冷却塔による約30 C の冷却水に変更され，冷却塔方式が計画された。しかし，ND280OA では，TPC 内での温度勾配をおさえなければならないこと，光検出器 MPPC の動作温度が高いとノイズが増えること，シンチレータ読み出し用の波長変換ファイバーが熱に弱いこと(推奨 25 C 以下)から，Magnet からの発熱がバスケット内の測定器に進入しないように熱遮蔽のシールドを設けるなどの措置が必要であった。そのようなことはシステムを複雑化するため，再度チラーによる冷却水システムを検討し，Magnet 担当のヨーロッパグループ
が価格をおさえてチラーによる冷却水システムを構築し，それを J-PARC に設置するという方法をとることとなった。
図 4-2 ヨークの設置
13 個目のヨークが降ろされている。

チラーの冷却能力が高いため，冷凍保安関係の手続きなどが必要となり，KEK 低温グループの荻津氏，槇田氏の協力をいただいた。冷却水配管については冷却水システムの仕様にあわせた設計をヨーロッパグループが行い，日本グルー
プと共同で現場での調整を行い設置した。

4.5 制御系
Magnet 電源，
冷却水システムの制御および各種のモニター

はヨーロッパグループが担当している。スペイングループ
がシステム全般を担当し，各機器の担当であるスイスグルー
プ (Magnet および冷却水システム ) とフランスグループ(Magnet 電源）と共同で制御系システムが構築されている。

制御系機器本体は測定器読み出し機器が設置されている架図 4-3

コイルの設置ヨークの奥には一つ目のコイルが設置されている。コイルが吊られた状態でヨークを移動システムで移動し，ヨーク内部に設置。

4.3

Magnet 電源

台床(SS)に設置されている。

5 FGD
5.1

FGD のデザイン

FGD(Fine Grained Detector)は細分割された構造のシン

Magnet 電源と Magnet コイルへの接続部分(バスバー）

チレータトラッカーで，ニュートリノ反応点検出と FGD 内をフランスグループが担当し，機器の据付け，および AC，で止まる低エネルギー粒子のトラッキングと識別を主目的

DC の配線を日本グループが現場の状況を説明し，Magnetとする。ニュートリノ反応ではミューオン，電子・陽電子，

61

陽子，中性子， p 中間子， g 線が生成されるが，FGD は反に挟まれるように設置され，FGD1 がビーム方向上流に位応点に飛跡を残す荷電粒子の測定を主目的としている。そ置する。

のため，FGD は荷電粒子に対して不感領域がないように，

FGD のエレクトロニクスは T2K 実験の TPC 用に Saclay

測定器の大部分がシンチレータのみで構成されている。こで開発された AFTER チップを使用しており，信号はの設計思想は K2K 実験の SciBar 測定器[15]のデザインを継

100 nsec の 時 定 数 を も つ プ リ ア ン プ で 成 形 さ れ た 後 ，承しており，SciBar よりもさらに細分割されたシンチレー

50 MHz (20 nsec毎) で 10 msec にわたってサンプリングされタを採用することで，より高解像度を達成できるようデザる。エレクトロニクスは 1 チャンネル 12 ビットの分解能を

イ ン さ れ た 。 棒 状 シ ン チ レ ー タ の 形 状 は 0.96 ´ 0.96 ´持ち，信号を 2 分割し減衰比率を 1 : 8 に調整することで，

3

184.3 cm で，全数 8,448 本のシンチレータで FGD1 と FGD2

実効 15 ビットの分解能を有している。また，事象毎にパルという 2 台の測定器を構成する。FGD の構造は図 5-1 に示ス波形をフィットすることで， 3 nsec の時間分解能を達成すように，192 本のシンチレータを並べて一層を形成し，する。

その層をシンチレータ棒の縦方向と横方向を交互に変えた
積 層 構 造 を して い る 。 こ の構 造 か ら 位 置分 解 能 0.96´
0.96 cm2 の 2 次元イメージを側面図と上面図として記録で

きる。

5.2

FGD の製作・テスト・移送・設置

FGD の制作は日本とカナダの研究者が協力して行った[16]。

構造設計は TRIUMF 研究所で，シンチレータ生産もカナダの企業とカナダの研究者が協力して行った。波長変換ファイバーはクラレ社製の Y11 を購入した。ファイバーの端面には米国フェルミ研で反射コーティングが施された。光検出器 MPPC は日本で開発，購入，試験が行われ，その詳細
は[8]の第 4.1 章「MPPC の大量試験」に詳しい記述がある。
また，波長変換ファイバーと MPPC の接続方式も日本で開発した。FGD の制作は 2008 年に行われ，2008 年秋から
TRIUMF 研究所の M11 ビームラインでビーム試験を行っ
図 5-1

FGD 測定器の構成図

各シンチレータ棒は図 5-2 に示すように，中心に波長変換ファイバーを通す穴が空いていて，外側は酸化チタン(TiO2 ) の反射材でコーティングされている。
シンチレーション光は波長変換ファイバーの吸収・再発光過程を通して，
光検出器 MPPC で光量を記録する。

た。
ビームテストでは 100  400 MeV / c の電子，
ミューオン，

p, 陽子を測定器に入射し，測定器のレスポンスの測定とエレクトロニクスのデバッグを主に行った。測定器のレスポンスとしては，MPPC のゲインと印加電圧，シンチレータ
光量，ファイバーの減衰長，各粒子の飛程とエネルギー損
失の測定が行われた。また，FGD のトラッキングアルゴリ
ズムの開発も行われ，各シンチレータのヒットを時間でク
ラスタリングすることで，MPPC ノイズを効率的に除去することにも成功した。
ビームテスト時の FGD のイベントディ
スプレイを図 5-3 に示す。図 5-3(右)ではヒットを時間クラスタリングすることで，効率的にノイズヒットが除去され，ビーム粒子によるヒットおよびそのトラックが明確に識別
できる。

図 5-2

FGD シンチレータの断面図2

大きさは 9.6 ´ 9.6 mm で中心に波長変換ファイバー用の穴が，外側に酸化チタンの反射材(白色)がある。

FGD1 は計 30 層，合計 5,760 本のシンチレータで構成さ
FGD2 は 14 層のシンチレータ層の間に厚さ 2.5 cm
れている。

の水標的層 6 層が組み込まれた構造(シンチレータ 2 層毎に
水 1 層)をしており，ニュートリノと水の反応断面積を測定
2 台の FGD は 3 台の TPC
できるようデザインされている。

図 5-3

ビームテスト時の FGD のイベントディスプレイ

左図は時間クラスタリング前で，MPPC ノイズヒットが多数見られる。右図は時間クラスタリングを行った後で，ビーム粒子の飛跡が明確に分かる。

62

ビームテストは 2009 年 5 月まで継続し，測定器のレスポ
ンスの詳細な理解を進めた。その後 2009 年夏に FGD はTRIUMF から J-PARC に移送され，2009 年 9 月に ND280

ホールに設置された。図 5-4，図 5-5 に J-PARC に到着した
時の FGD と ND280 ホールに設置される時の FGD の様子を示す。

図 5-6 FGD の各チャンネルのゲインの値

ND280 ホールのマグネット内に設置後は FGD1 と FGD2の同時トリガー事象を使って宇宙線データを取り，各チャ
ンネルの光量，ゲインの最終確認を行った。
図 5-7 に宇宙線事象のイベントディスプレイを，図 5-8に宇宙線イベントの横方向から見たイベント数分布を示す。
FGD1，FGD2 ともうまく機能していることが分かる。

図 5-4

ND280 アセンブリーホールで FGD を直立させた時の様子

写真上側の人物は京都大学院生の家城佳君，右側の人物は FGD 責
任者の UBC の Scott Oser 氏。

図 5-7

図 5-8

宇宙線イベントの上面図(左)と側面図(右)宇宙線イベントの側面から見たイベント数分布

左が FGD1 の，右図が FGD2 のイベント数。
図 5-5

ND280 ホールでの FGD インストールの瞬間

図 5-7 では，宇宙線が左上から入射し，右下に抜けてい

5.3

FGD のデータ解析

ることがわかる。また図 5-8 で，ND280 ホールの位置関係

ニュートリノビームデータの解析は第 8 章でまとめるののため，FGD1 上部から FGD2 下部に抜けている宇宙線がで，ここではインストール前に行われた FGD のデータ解析多いことが分かる。この宇宙線データを使って，シンチレー

を簡単に紹介する。FGD が J-PARC に移設された直後に，タの光量を確認し，シンチレータの応答時間の測定を行っ全チャンネルの MPPC への適正印加電圧の測定が行われ，た。図 5-9 に FGD1 と FGD2 で測定した宇宙線事象の時間

それを元に各チャンネルのゲインを調整した。
図 5-6 に FGDと，その宇宙線トラックの角度相関を示す。この図より，のチャンネル ID とゲイン(1 光電子に対応する ADC 値)のFGD1 と FGD2 の応答時間差は約 10 nsec ( 3 m の飛行距離相関を示す。すべてのチャンネルのゲインが 40 ADC 値前に対応），
時間分解能は数 nsec になっていることが分かる。

後でよく調整されていることが分かる。また，この際に不また，宇宙線データを使って，各シンチレータの検出効率

良チャンネルのチェックと修理も行った。

をシンチレータの入射位置毎に求めたのが図 5-10 である。

63

図 5-9

FGD1 と FGD2 で測定した宇宙線事象の時間とその宇宙線
トラックの角度の相関図 6-1

濃灰色(赤色)の C 型ヨーク内の淡灰色(水色)で表示した部
分に SMRD シンチレータを実装した(磁石のヨークとコイルについては片側半分のみ表示している)。

プラスチックシンチレータの表面に彫った溝にクラレ社
図 5-10

シンチレータの検出効率の位置依存性

製 Y11 波長変換ファイバー 1mmf を埋め込み，ファイバー

シンチレータの中心部では 99.8 % 以上の検出効率が確認の両端面からの光を浜松ホトニクス社製 MPPC で読み出す

でき，シンチレータ端でも 90% 以上の検出効率が確認でき方式を採った。幅 16.7 /17.5 cm, 長さ 87 cm のシンチレータ

た。シンチレータ端で検出効率が落ちているのは酸化チタ

を 1 本の波長変換ファイバーで読み出すため，溝の形は図

ン層による不感領域のためである。

6-2 のように S 字に蛇行する形にした。

6 SMRD
6.1

SMRD のデザイン・開発

ND280OA の電磁石のリターンヨークは，厚さ 48 mm の

鉄板 16 枚を 1 層毎に 17 mm のギャップを持たせて積層した構造となっている。この電磁石を最初に使用した CERN

図 6-2

S 字状溝を彫った SMRD シンチレータ

でのコライダー実験 UA1 では，このギャップにシンチレー
タを挿入してタワー型のハドロンカロリメータとして使用していた。

S 字に蛇行する形状の波長変換ファイバーでの読み出しで，全面にわたって検出効率が確保できるかが鍵となるが，ND280OA では，ミューオンニュートリノの荷電カレン神戸大学における評価テストでは，最少電離粒子の通過にト反応を集めて入射したニュートリノのエネルギースペク

対して 7 mm の厚さでも検出器全面にわたって MPPC で 10

トルの再構成を行う。図 6-1 のように内側から 3 層目(場所

光電子以上の信号量が得られ，充分な検出効率が確保できによっては 6 層目)までの各ギャップに厚さ 7 mm のプラスていることを確認した。さらにファイバーの両端から読み

チックシンチレータをインストールして，ニュートリノ反出した信号の時間差と 87 cm の長さ方向に対する粒子の通応から発生する荷電粒子の粒子識別とエネルギー測定を行

過位置との相関を測定したところ，図 6-3 のような直線性

うためのミューオン飛程検出器とし， SMRD(Side Muonのよい相関が得られ，約 6.5 cm の精度で通過位置を特定でRange Detector)と名づけた。

きることも確認した。

各 C 型ヨークのビーム方向に沿った長さはどれも 87.6 cm

MPPC の読み出しエレクトロニクスは， INGRID やだが，シンチレータを挿入できるスペースの幅は，水平方ND280OA の ECAL や P0D と同じく，Trip-t Front-end

向は 70 cm, 垂直方向は 91cm と異なるため，水平用にはMPPC からの信号の電荷量(ADC)
Board(TFB)を使用した。

16.7 cm ´ 87 cm の カ ウ ン タ ー を 4 枚 ， 垂 直 用 に はおよびタイミング(TDC)情報を収集できるようになってお17.5 cm ´ 87 cm のカウンターを 5 枚並べることにした。

り，MPPC への印加電圧の調整・温度モニターなどの機能

64

おり，カウンターの遮光パッケージが傷つくことを避けるとともに，両端部がくさび型になっていることで C 型ヨークの段差で引っ掛かったりすることのないような工夫がしてある。この治具の実機のデザインおよび製作はポーラン
ドのグループが行った。
第 4.2 章で述べた通り，電磁石の C 型ヨークの再組み立て作業および大型クレーン車で地下の実験ホールへ降ろして架台システムの上に並べる作業は，実験ホールの地上建
SMRD屋を建設する前の露天での作業となる。
これに対して，
図 6-3

両ファイバー端で得られた信号の時間差と粒子の通過位置との相関モジュールのインストール作業は，地上建屋も含めた実験も備えている。SMRD では，チャンネル数の多い少ないにヨークを並べてしまうとヨーク相互の間隔はわずか 80 mm

かかわらず一つのタワーにつき 1 枚の TFB(max.64 ch.) をしかない。このため，電磁石中央部の C 型ヨークのギャッ

割り当て，それぞれ 24  60 チャンネルの読み出しを行っ

プ内に SMRD モジュールをインストールするには一番端のている。

C 型ヨークのギャップから挿入して，隣の C 型ヨークへと

T2K での TFB を使用しての読み出しシステムについて

ホールの完成後に行う。架台システムの上にすべての C 型

順送りしながら設置するしかない。

は，参考文献[8]を参照されたい。

隣接する C 型ヨークのギャップのアライメントがずれると，この順送りの際に途中で詰まることになる。アルミチャ

6.2

SMRD の製作・設置

ンネルの治具の端部をくさび型にしたことで，安全係数も表面に白色乱反射層を作るためにエッチング処理を施し含めて 2 mm 程度の段差があっても乗り越えられるようにたロシア製押出式シンチレータにロシアの INR グループがなっている。C 型ヨークは 1 個で 53 トンという巨大重量物

溝彫りの加工を行った。日本側から送ったクラレの波長変であるが，架台システムへの設置作業は，水平方向も垂直

換ファイバーの埋め込みおよび遮光パッケージなどカウン方向も約 1mm のアライメント精度が実現でき，予定していターの製作も INR グループが行った。

たすべてのギャップに SMRD モジュールを順調に設置するロシアから J-PARC に輸送されたカウンターを 4 ないしことができた。

5 個並べて，それぞれの間に断面が H 字型のアルミチャン

C 型ヨークは架台システムを含めると床から 8 m 近くのネルの治具をはさんで一体化し，各カウンター両端面に高さにおよぶ一方で，一番端の C 型ヨークから実験ホール

MPPC と信号ケーブルを取り付け，これを設置作業のための壁面までの距離は，場所によっては 1m 程度しかない６。

の 1 単位とし，SMRD モジュールと呼んでいる(図 6-4)。

このような狭い場所で任意の高さのギャップに SMRD モ

水平用・垂直用あわせて 2,008 個のカウンターを使用し，ジュールを挿入するため，
図 6-5 のような高所作業車(シザー

440 個の SMRD モジュールを製作した。アルミチャンネルスリフト)を使用することにした。この運転には資格が必要の治具はインストール時の機械的なガイド・養生を兼ねてなため，設置作業を行う日本人，ポーランド人，アメリカ
人は全員講習を受けて資格を取得することとなった。より内側の C 型ヨークのギャップに順送りするための専用ツールの設計・製作もポーランドグループが行った。
カウンターからモジュールへのアセンブル作業にはロシ
ア人も加わり，2009 年の 2 月  7 月にわたって，途中でメンバーの入れ替わりなどもあり，4 ヶ国のべ 25 人の多国籍部隊での作業を続けた。
高所で大きなものを取り扱うため，緊張を強いられる作業が連日続くこととなった。全期間にわたって現地に常駐してコーディネートと陣頭指揮を執った神戸大大学院生の矢野孝臣君は，多国籍部隊のチームワー
クを高める意味からもオフの時間における交流なども意識的に行った。

図 6-4

SMRD モジュール

複数のカウンターをインストール治具兼用アクセサリで一体化し，MPPC，信号ケーブルを装着した(この写真は水平用モジュール)。

６

脚注 5 で述べたように，予算を抑えるために実験ホールは最小限の大きさになっている。

65

7 TPC/P0D/ECAL
TPC，P0D，ECAL に関しては，測定器建設そのものへの日本側研究者の責任分担がなかったため７，ここでは各検出器の性能を簡単に紹介するに止める。
7.1 TPC

TPC(Time Projection Chamber)はニュートリノ反応で生成された荷電粒子を識別し，その運動量を測定することが主目的の検出器である。TPC には水平方向に 0.2 T の磁場が印加されており，通過する荷電粒子は鉛直方向に曲げられる。そして，TPC でその曲率を測定することで運動量が
図 6-5

シザースリフトと自作の専用ツールを使用してのインストー
ル作業(この写真は垂直用モジュール)

以上のような有形無形の努力が功を奏し，SMRD の設置
作業は大きなトラブルもなく当初のスケジュール通りに完遂することができた。

6.3

SMRD のデータ解析

インストールの作業と並行して，インストールが完了して DAQ システムへの配線作業が済んだものからデータの読み出しを開始した。バックグラウンドの頻度や波高分布に異常がないかをチェックすることで配線ミスやデバイスの故障の有無を確かめ，場合によってはリプレース作業などを行った。

測定できる。また荷電粒子のエネルギー損失 (dE / dx ) を測定することで，電子，ミューオン (pを含む), 陽子を識別することが可能である。
T2K 実験では外形，幅 2.5 m, 高さ 2.5 m, 奥行 0.9 m の大型
TPC を 3 台制作した。ガスは拡散の少ない 95% Ar+
2% iso -C4 H10 + 3%CF4 を採用し，モジュール外層に CO2 を満たすことで，不純物混入を抑えている。TPC 中，電子は磁場のかかっている方向(水平方向）にドリフトし（ドリフ，そのドリフト速度は 78.5 mm/msec である。電ト長約 1m ）子のドリフト端かつ増幅部には最新の基盤技術で製作された マ イ ク ロ メ ガ ス (micromegas≡MICRO MEsh GAS
counter)を採用した。マイクロメガスは 1 モジュールの大きさが 36 ´ 34 cm2 で， 6.9 ´ 9.7 mm2 のパッドが 1,728 チャ
ンネルある。1 TPC モジュールには，片端 12 枚 (2 ´ 6), 両

全体のインストール作業完了後，SMRD や DS-ECAL を

端で 24 枚のマイクロメガスを使用する。3 台の TPC ではトリガーに使って宇宙線データの収集を開始した。図 6-6

計 72 枚のマイクロメガス，合計 12 万チャンネルの読み出にその一例を示す。

しパッドがある。ビーム方向に向かうトラックに対し，垂直方向に 0.6 mm, 水平方向(ドリフト方向)に 1.42 mm の位

ニュートリノビームデータの解析については第 8 章にまとめる。

置分解能を達成している。運動量分解能は 1GeV/c で約7 % ８を達成している。

データ収集システムは， Saclay 研究所で開発された
AFTER チップをフロントエンド部に総数 1,728 個使用する。

エレクトロニクスは 25 MHz(40 nsec毎) で稼働し，20 msec にわたって信号をサンプリングできる。

7.2

P0D

P0D(Pi 0[Zero] Detector)は最上流に設置された p 0 生成
P0D は 0.6 mm 厚
反応測定のために特化した検出器である。

の鉛薄膜と厚さ 1.7 cm 厚の分割シンチレータのサンドイッ
チ構造を採用したシンチレータトラッカーである。各シン
チ レ ー タ は 幅 3.25 cm, 高 さ 1.7 cm, 長 さ 210 cm
図 6-6

SMRD で捉えた宇宙線イベント

内部検出器のヒットとの対応が確認できる(磁場が OFF の時のイベント)。

(もしくは 223 cm) の三角柱シンチレータ棒で，126 本(もし７TPC，P0D，ECAL に関して，ND280OA 全体としてのプロジェ

クトコーディネーション，移設補助，設置補助，技術選択・開発
に関するアドバイスなどには，日本側研究者が深く関わっている。
８ TPC の運動量分解能は TPC 読み出しのパッドサイズ (6.9 ´
9.7 mm2 ) による位置分解能によって主に決まっている。

66
くは 134 本)で 1 層を構成する。P0D は三角形シンチレータ

8 ニュートリノビームデータの解析を採用することで，粒子の入射位置による光量依存性を測

図 8-1 に示すように，ND280OA は 2009 年中に ECAL の定し，シンチレータ内での粒子の通過位置を測定できる。

一部のモジュールを除く全測定器の設置が完了し，2010 年

P0D は合計 40 層の鉛箔＋シンチレータで構成され，外形は

1 月からニュートリノビームデータの収集を開始した。

2.1 ´ 2.2 ´ 2.4 m 3 , 総重量は 16 トンとなる。また各層の隙間には水標的層が組み込まれており，水標的での p 0 生成断面積が測定可能である。

7.3

ECAL

ECAL(Electromagnetic Calorimeter)は ND280OA ではマ
グネット内側の最外層に位置し，P0D，TPC，FGD で起こっ
（主に p 0 起源）
たニュートリノ反応で生成される電子と g 線の電磁シャワーを捕え，エネルギーを測定する装置である。
ECAL は 最 下 流 に 設 置 さ れ る DS-ECAL(Down Stream
ECAL)，P0D の横を覆う P0D-ECAL，TPC と FGD の横側を覆う Barrel-ECAL からなる。ECAL はフェルミ研で製造された断面 4 ´ 1cm2 の抽出型シンチレータを採用している。鉛層は DS-ECAL と Barrel-ECAL は 1.75 mm 厚，P0D-ECAL は 5 mm 厚である。DS-ECAL は全 34 層で11X 0 ( 放 射 長 ) ， Barrel-ECAL は 全 32 層 で 10.5 X 0,
P0D-ECAL は 6 層 で 4.5 X 0 と デ ザ イ ン さ れ て い る 。
P0D-ECAL の厚みが薄いのは，
P0D そのものが電磁シャワーに対して厚みを持っており，漏れてくる電磁シャワーを捕

図 8-1

2009 年に設置された ND280OA 各測定器の様子

右上から P0D，TPC1，FGD1，TPC2，FGD2，TPC3，DS-ECALと続く。マグネットは片側だけが閉められている。SMRD はマグ
ネットヨーク隙間に設置されている。

2010 年データ収集開始直後，図 8-2 のように ND280OAで起こったニュートリノ事象が記録された。

えればよいからである。各モジュールの大きさは DS-ECAL
が 250 ´ 250 ´ 50 cm 3 で重量 6 トン，Barrel-ECAL は，上下に設置するモジュールが 150 ´ 400 ´ 50 cm 3 で 7 トン，サイ
ドに設置するモジュールが 250 ´ 400 ´ 50 cm 3 で 10 トンである 。 P0D-ECAL も 2 種 類 あ り ， サ イ ド モ ジ ュ ー ル が250 ´ 250 ´ 30 cm 3 で 4 ト ン ， 上 下 モ ジ ュ ー ル が210 ´ 150 ´ 30 cm 3 で 3 トンとなっている。
ECAL はイギリスの予算の関係で，2009 年中は DS-ECALのみが設置され，残りのモジュールは 2010 年夏にインストール中である。原稿執筆中の現時点で南側の Barrel-ECAL と
P0D-ECAL がマグネットヨークに設置されている。2010 年
夏に設置された Barrel-ECAL の様子を図 7-1 に示す。

図 8-2

ND280OA で観測されたニュートリノイベントの 3 次元イ
ベントディスプレイ(図 3 はこの事象の 2 次元版)

実験データとしては，ランダムトリガー，各種宇宙線ト
リガー，ビームトリガーのデータを記録している。ビーム
トリガーは J-PARC の速い取り出しのキッカーへの信号と同種のものを遅延させて使用している。T2K では，ビームが発射された時点のイベントはニュートリノ反応の有る無しに関わらず，すべて記録する。T2K 実験は現在 581nsec サ
イクルの 6 バンチの陽子ビームでニュートリノ生成を行っている。図 8-3 と 8-4 に FGD と SMRD９で記録されたビームイベントのビーム発射時を基準としたイベントの時間分
布を示す。陽子ビームの 6 バンチ構造に対応して，ニュー

図 7-1

2010 年夏(8 月時点)にマグネット内側に設置された直後のBarrel-ECAL

９ SMRD のエレクトロニクスである TFB でのデータ収集は，その タイミ ングに 同期さ せ，ゲ ート時 間 480 nsec, リセ ット時 間
100 nsec としてデータ収集を行っている。

67
トリノ事象が 6 バンチに均等に分布していることが分かる。
また，ピークとピーク間のイベントの数からビーム起源の事象とそれ以外のバックグラウンド事象(主に宇宙線事象)の S/N 比も極めてよいことが分かる。

図 8-6 標的あたりの陽子数(POT)で規格化した SMRD でのヒット数

これより，
ND280OA は安定してニュートリノビームデー
タを収集していることが分かる。これらの物理解析には，
図 8-3

FGD で測定されたニュートリノ事象発生の時間分布

京都大学の家城君と神戸大学の矢野君が大活躍している。
T2K 実験は 2010 年の 1 月から 6 月にかけて物理データを収集し，この間に 3.35 ´ 1019 POT のデータを記録した。
図 8-7 に，T2K 実験 2010 年前半にニュートリノ生成標的に送られた陽子数を示す。

図 8-4

SMRD で観測されたヒットのビームサイクルに対する時間分布

次に図 8-5 と図 8-6 に FGD と SMRD で観測されたニュートリノ事象数を標的に入射した陽子数 (POT≡Protons on

図 8-7

T2K 実験 2010 年前半にニュートリノ生成標的に送られた陽子数(折れ線：左軸)と加速器で加速されたパルス当たりの陽子数(点：右軸)

Target)で規格化した値を示す。
ND280OA の高度な解析は現在進行中で，まだ外部に出せる結果は出ていない。ここで，ND280OA の性能を示す
結果として，ND280OA で記録したニュートリノビーム事
象で，TPC で観測された荷電粒子の運動量と dE / dx の相関を図 8-8(負電荷トラック)と図 8-9(正電荷トラック)を示す。ニュートリノ反応で生成されるミューオンは主に負電荷をもち，T2K のエネルギー領域で主反応である準弾性散
乱 (n m + n  m- + p) で生成される陽子は正電荷をもつ。
ミューオンは minimum ionization で dE / dx が小さく，逆に速度の遅い陽子は大きな dE / dx を持つことが図 8-8 と図
8-9 から見てとれる。また，図 8-9 には p 中間子にくわえ，運動量の小さいところに電磁シャワーでの対生成による陽電子も観測されている。図より，TPC が優れた粒子識別能
図 8-5 FGD のイベント数
標的当たりの陽子数(POT)で規格化している。

力を有することが見てとれる。今後，さらに物理解析を進めていく予定である。

68
した後は，ニュートリノ振動における粒子と反粒子の対称性の破れの研究を開始する予定である。これらの物理プロ
グラムは始まったばかりであり，今後 J-PARC の大強度
ニュートリノビームを軸に，ニュートリノ物理はより発展していくと考える。
また，
T2K 前置ニュートリノ測定器も，今後のニュートリノ物理に要求される，より高精度な測定を目指し，測定装置の性能を最大限引き出せるよう，装置
較正，解析プログラムの開発を続けて行く。また，必要であれば，測定装置の改良およびアップグレードを視野に入れ，研究を進める予定である。今後，T2K 実験の進展と，
図 8-8

TPC で観測された負電荷トラックの運動量と dE / dx の相関図

そこからもたらされる結果に期待してもらいたい。

参考文献[1] 小林隆，「T2K 実験の概要」，高エネルギーニュース
図 8-9

TPC で観測された正電荷トラックの運動量と dE / dx の相関図

28-2, 62 (2009).

[2] 藤 井 芳 昭 ， 山 田 善 一 ，「ニ ュ ー ト リ ノ 実 験 施 設の概要」，高エネルギーニュース 28-2, 67 (2009).

9 まとめと今後
2004 年に 5 ヵ年計画として承認された T2K 実験は，
2009
年 4 月に初のニュートリノビームの生成に成功し，2010 年[3] 荻 津 透 ，槇 田 康 博 ，「J-PARC ニ ュ ー ト リ ノ ビ ー
ムライン用 超 伝 導 複 合 磁 場 電 磁 石 システムの開発」，高エネルギーニュース 28-2, 76 (2009).

から物理ランを開始した。
ND280 プロジェクトに関しては，[4] 柴田政宏，Nicholas C. Hastings，石井孝信，角野秀一，

日本で承認された 2004 年から，諸外国の測定装置の分担決「T2K 実験の陽子ビームモニター」，
高エネルギーニュー

定，予算要求，グループ結成が始まり，測定器のデザイン

ス 28-4, 239 (2010).

の雛型ができたのが 2005 年，Technical Design Report に関しては 2006 年であり，その後約 4 年でこれだけ複雑な測定装置を国際協力で遅延なく建設できたことは，奇跡に近いと実感している。ND280 測定器の建設には T2K 実験参加
国の内，11 ヶ国(日米加仏英西伊独瑞波露)が参加し，総研
究者数約 300 名強(概算)，総建設費は概算で約 30 億円１０となる。この ND280 測定器を実現した T2K 共同実験者全員と T2K 実験をサポートして下さった方々に心から感謝の意を表したい。
T2K 実験は，今後より多くのデータを収集し，未発見の[5] 市川温子，関 口 哲 郎 ，中 平 武 ，「T2K 実 験 ニ ュ ー
トリノ生成機器」，高エネルギーニュース 28-4, 246(2010).
[6] 鈴 木 聡 ， 坂 下 健 ，「T2K ニ ュ ー ト リ ノ ビ ー ム ラ
イン制 御 システム」，
高エネルギーニュース 28-4, 255(2010).
[7] 松 岡 広 大 ， 久 保 一 ，横山将志，「T2K 実 験 ミ ュ ーオンモニターの開発」，高エネルギーニュース 29-1,
1 (2010).

ニュートリノ振動モードである電子ニュートリノ出現事象[8] 南 野 彰 宏 ， 大 谷 将 士 ，「T2K 実 験 ニ ュ ー ト リ ノの発見にチャレンジする。そして，電子ニュートリノ出現

ビ ー ム モ ニ タ ー (INGRID)」，高エネルギーニュー

事象を発見し 3 世代間のニュートリノ振動の枠組みを確立

ス 29-1, 10 (2010).
[9] T2K-ND280 Workshop in Rome, December 6-8 (2004):

１０

ND280 測定装置の建設費に関しては，各国で予算の勘定の仕方が異なるため，各国が独立にそれぞれの計算方法で行っており，
建設費総額に関する公式な値はない。

http://www.roma1.infn.it/people/
ludovici/meeting/nd280.html

69[10] T2K-ND280 CDR (Conceptual Design Rep ort)
http://www.nd280.org/documents/cdr.pdf[11] T2K-ND280 TDR (Technical Design Rep ort)
http://www.nd280.org/convenors/
ND280 Review document 2006/tdr.pdf[12] 横 山 将 志 ，魚 住 聖 ，「Multi Pixel Photon Counterの研 究 開 発 」，
高エネルギーニュース 26-3, 216 (2007).
[13] M. Yokoyama et al., “Performance of Multi-Pixel Photon Counters for the T2K near detectors”, Nucl. Instrum. Meth. A 622, 567-573 (2010).
[14] 中家剛，横 山 将 志 ， 特集－「J-PARC 実験を支える，
放射線 36-3,
検出器(T2K ニュートリノ実験の検出器)」
117-130 (2010 年 9 月).
[15] 中家剛，「 K2K-SciBar 検 出 器 」，高エネルギーニュー
ス 22-4, 124 (2004).
[16] 家城佳, “Construction and Performance of Fine
Grained Detector for T2K Experiment”, 京都大学理学研究科修士論文 2010 年：
http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/
theses/master/iekikei_mt.pdf