50083■ 研究紹介

J-PARC KOTO 実験
大阪大学大学院 理学研究科

塩見 公志
shiomi@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp

杉山 泰之
sugiyama@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp

外川 学
togawa@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp

山中 卓
taku@champ.hep.sci.osaka-u.ac.jp

京都大学大学院 理学研究科

南條 創
nanjo@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

野村 正
nomurat@post.kek.jp
2013 年 (平成 25 年) 8 月 19 日

1

はじめに

よって 2.6 × 10−8 (90% CL) と与えられている [1]。まJ-PARC E14 KOTO 実験 の目的は，中性 K 中間子
1の稀崩壊 KL → π 0 νν を用いて標準理論を超える新しい物理を探ることである。この崩壊の特長は，1) CP− のKL から CP+ の終状態に移る，CP 対称性を破る崩壊であること，2) 標準理論による寄与が分岐比にして約た，BNL 787/949 実験が荷電 K 中間子の K + → π + νν

崩壊を 7 事象発見しており [2]，その分岐比を元にアイ
ソスピン回転をして中性の KL → π 0 νν 崩壊の分岐比に対して 1.5 × 10−9 以下という上限値を与えている。この上限値は通称 Grossman-Nir Limit[3] と呼ばれる。

標準理論を超える物理のモデルとして，SUSY[4]，lit-

3 × 10−11 と小さいこと，3) そして標準理論では図 1 に示すような Z 0 を介するペンギンダイアグラムによって

tlest Higgs[5, 6]，4 世代モデル [7, 8] など様々なモデル崩壊が起きるため，理論的な誤差が約 2%と小さいこといる。KOTO 実験はこの領域を順に探査していき，標準である。つまり，標準理論による「バックグラウンド」
が小さくよく理解されているために，CP 対称性を破る
新しい物理の効果が見やすい。
現在の崩壊の分岐比の上限値は，KEK E391a 実験に

W−

s

d

が Grossman-Nir Limit 以下の広い範囲に予測を立てて理論による予測分岐比相当で数イベントの KL → π 0 νν
崩壊を観測する感度に至ることをゴールとしている。

実験は 2006 年にプロポーザルを提出し，2009 年 9 月に本採択 (Stage 2) を受けた。これまで精力的に検出器建設を行い，2013 年春にようやく物理データを収集できる段階になった。この記事では，検出器部分を中心に，収集した物理データの解析の触りを解説する。

t
Z0

ν

ν̄
図 1: K → πνν のファインマンダイアグラム。
1 “K 0 at TOkai” を略して命名した。

2

実験装置

2.1

実験装置の概要

KL → π 0 νν 崩壊の終状態の特徴は「π 0 崩壊から来る
2 つの光子が存在すること」と「その他には検出される粒子がないこと」である。KOTO 実験では，光子のエ50184#!"$"




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

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 

 

 



図 2: KOTO 実験装置図。ほとんどの検出器は円筒形の真空槽内に設置されていて，図は断面側面図を示している。
中性ビームは図中左から入射され，真空槽の中央付近の中空部で起こる KL の崩壊をとらえる。サイズの目安として，電磁カロリメータ (CsI calorimeter) の外周の直径が約 1.9 m，中央バレル部の veto 検出器 (MB) の長さが約5.5 m である。ビーム領域と崩壊領域を囲むように描かれている破線は検出器領域と真空レベルを分ける筒状の薄い膜 (Membrane) を示している。なお，BHPV(Beam Hole Photon Veto の略称) は後半部を省略している。

ネルギーや位置を測定するために精度のよい電磁カロリ

名前の頭に BH(Beam Hole の略) とつけられた中性ビー

メータを備え，他の粒子がないことを示すために検出効

ム中をカバーする検出器が置かれている。真空槽内の崩率の高い veto 検出器群で崩壊領域を覆うという基本思

壊領域は，中性ビームと残留ガスの反応によるバックグ

想をとっている。

ラウンドを抑えるため，10−5 Pa レベルの高真空になっ

KOTO 実験が行われるのは J-PARC ハドロン実験施設である。MR 加速器から取り出された 30 GeV 陽子ている。検出器領域は薄い膜を隔てて分離されており，
0.1 Pa レベルの真空度になっている。

ビームがハドロン実験施設の共通標的2 に導かれる。6 秒

幸いにして我々は KEK E391a 実験の経験を数多く活毎に約 2 秒間かけてゆっくりビームを取り出す，いわゆ

用することができ，バックグラウンド抑制にとって有効

る遅い取り出しである。KOTO 実験用の KL ビームラな測定器の増強課題はよくスタディされている。以下のインはその二次粒子を 16 度方向に引き出している。内節では，KEK E391a 実験から KOTO 実験へと進むに

壁形状を最適化した 2 段の長尺コリメータ (長さ 4.5 m

あたっての増強ポイント：と 5 m) とその間に置かれた sweeping 磁石を用いて，鋭いエッジを持つ，ハロー領域へのもれ出しの少ない中性ビームを実現している。標的から実験エリアまでの距離は約 21 m で，電磁カロリメータが置かれている場所でのビームサイズはおよそ 10 cm 角である。ビームライ• 電磁カロリメータの放射長を十分長くし，また，シャワーの形をよりよく測れるよう小分割すること• ハロー領域にもれ出してくるビーム中性子 (ハロー中性子) との反応を減らすこと (物質量を減らす，放射長が反応長に比べてより短い物質を使う，など)

ンの詳細については文献 [9] を参照されたい。
図 2 に KOTO 実験装置の断面図を示す。電磁カロリ
メータ (CsI calorimeter) を含むほとんどの検出器は円筒形の真空槽内に設置され，崩壊領域を覆う形になっている。FB，MB はバレル部分の光子 veto 検出器で，KOTO 実験の第一段階では KEK E391a 実験で使ったものをそのまま利用している3 。名前に CV と付けられているものは荷電粒子 veto 検出器を示す。名前に CC と

• ハロー領域にもれ出してくるビーム中性子数をモニターできること• 高計数率に対応できるよう，全検出器の波形をデジタル化して記録することに沿って新設されたパートをいくつかピックアップして説明していくことにする。

付けられているものは Collar Counter の略称で，ビームの 首回り をカバーしている。検出器の最下流には，
2 ハドロン実験施設では一つの共通標的 (T1 標的) からの二次粒子を各ビームラインに引き出して利用している。
3 MB については，まず増強なしで物理ランを始め，実験感度向上に合わせて増強する計画としている。

2.2

電磁カロリメータ

電磁カロリメータ4 は，KOTO 実験において唯一，信号があることを要求する検出器である。(他の検出器は4 以下，単にカロリメータと呼ぶ。

502
85

すべて信号がないことを要求する。) KL 崩壊からくる

0.1–1 GeV 程度の光子について，エネルギーや位置，時間を測定することが第一目的となる。一方で，veto 検出器の一つとしての役割も果たす必要があり，下は 1 MeV相当の信号の検知も要請される。

KOTO 実験のカロリメータは undoped CsI 結晶で構成されている。結晶は米国フェルミ国立研究所の KTeV
実験で使われたものを使用している。結晶サイズは25 mm 角，50 mm 角の 2 種で，どちらも 500 mm の長さ（27X0 ）を持ち，KEK E391a 実験で使用した結晶，70 mm 角，長さ 300 mm（16X0 ）に比べ，近接した光子を分離でき，高いエネルギー分解能を持つ。光電子増倍管 (PMT) も同様に KTeV で使われたものを使用する
が，高電圧を供給するベースは，真空使用に耐える低電力化の必要性から，Cockcroft-Walton 型のものを新たに開発した。また，1 MeV 相当の低出力信号まで検出する要請から，低ノイズプリアンプを開発し，光電子増倍管の出力直後に配置して読み出しを行っている。

まず，2008 年にフェルミ国立研究所から CsI 結晶を輸

図 3: CsI 結晶設置完了時の写真。中央 1.2 m 角の領域に25 mm 角，外側に 50 mm 角の結晶が配置されている。

送した。KTeV カロリメータとして積み上げられていた同程度の地震により結晶が大きく滑る可能性を想定し，2700 本を越える結晶と PMT は，大学院生らの手により 1 本 1 本取り外され，足掛け 9ヵ月かけて大阪大学に運ばれた。Cs 線源等で全数の応答を確認する一方，こで構成したふたを取り付けた。

の内の 144 本の結晶を 12 × 12 行列に積んだミニカロ

エンドキャップの上流側には CFRP とアルミハニカム
震災からの復旧作業後，2012 年 2 月にほぼ全チャン
ネルの信号を読み出し，約 1 年遅れで中性ビームを用

リメータを構築し，東北大学電子光理学研究センターのいた性能評価に進むことができた。カロリメータのエ100–800 MeV の陽電子ビームを用いて性能評価を行った。エネルギー分解能，時間分解能はそれぞれ，

法と，KL → 3π 0 を用いる手法が挙げられる。図 4 に

σE
(%)
E

=

σt (ns)

=

0.1
1.3
√ ⊕
⊕ 0.8 (0◦ 入射時)
EE0.12
√ ⊕ 0.10
E

(1)
(2)

ネルギー校正として，宇宙線の貫通イベントを用いる手KL → 3π 0 候補のイベントディスプレイを示す。崩壊粒子が 6 つの光子となるので，対応する 6 つの島が観測される。これらのイベントを集め，不変質量を計算したが得られ（E の単位は GeV），共に実験遂行に十分な性能であることを示した。

2010 年 5 月からは結晶を順次 J-PARC に運び入れ，設置した。結晶はエンドキャップと呼ばれる円筒形の検出器架台に設置した。まず台形状の鉛-シンチ積層型の検出器を周底部に設置して平面を作り，その上に CsI 結
晶を積層した。CsI 結晶は柔らかく，隣接結晶とのずれによる角へのダメージや変形を防ぐため，隣同士の段差を 200 µm 以下に抑えながら積む必要があった。これには大変な労力を要したが，約半年かけて 2716 本すべてを積み終えた5 (図 3)。

2011 年 2 月に積層を完了し，中性ビームを用いた性能評価に備えていたところで，東日本大震災に遭遇した。
幸い，どの結晶にも損傷はなかったが，結晶は摩擦のみで固定されていたため，全体で 3–4 mm ほど上流側（図3 が上流側からの写真）に滑り出ていた。これを受け，5 2010 年秋に 6 割方積んだ段階で部分ビームテストなどをはさんだので，実期間としては 9ヵ月かかっている。

図 4: KL → 3π 0 候補のイベントディスプレイ。

503
86

正手法の妥当性を確認した。

2.3

荷電粒子検出器

カロリメータ上流に置かれる荷電粒子検出器 CV(Charged Veto) は，カロリメータに入射する荷電粒子を検出し，その事象を排除する。薄いプラスチックシン
チレータを用い，大面積，低物質量，高感度荷電粒子検出を追求したものとなっている。
荷電 π − が CV 表層で荷電交換反応 (π − + p → π 0 + nなど) を起こして中性 π 0 になったり，陽電子が対消滅し
図 5: KL → 3π 0 候補の不変質量分布。
プロットが図 5 である。KL 質量の 498 MeV/c 付近に2ピークがある。このデータサンプルを用いて，不変質量を組む際に，本来の質量の値に近づけるように各結晶の測定値に補正をかけていくと，結晶間の相対的なエネル
ギー校正が改善できる。宇宙線による校正と組み合わせて，1%レベルまでエネルギー校正が可能である。

また，この実験時，カロリメータの上流側に電磁石とドリフトチェンバー群を置き，KL 崩壊からくる荷電粒子の運動量測定も行った6 。図 6 に荷電粒子の運動量とカロリメータで測定されたエネルギーとの比の分布を# of events示す。1 付近にあるピークは電子・陽電子の候補であり，たりすることによる不感を十分減らすために，これらの反応を起こす前のエネルギー損失を十分低い閾値で検出する必要がある。そのため，CV では 100 keV のエネル
ギー閾値を課すことが要求となっている。このような低いエネルギー閾値では特に，光量が少ないと光子数統計の揺らぎの影響を強く受ける。この観点から，100 keVのエネルギー損失あたり 10 photo-electron(p.e.) 以上という条件が課せられている。
また，KEK E391a 実験では，ハロー中性子が CV 中で π 0 生成反応をして信号を模す事象が主要バックグラウ
ンドの一つとなっていた。これを減らすために，KOTO
実験の CV では徹底的に物質量を削減した。
図 7 に CV の写真を示す。ビーム方向に 25cm 間隔で置かれた 2 面で構成されている。各面は，図 8 に示すよ

×103
40

Before calibration

After calibration

20

0
0

0.5

1

1.5
E/p

図 6: 荷電粒子の運動量とカロリメータで測定されたエネルギーとの比。KL → 3π を用いたエネルギー校正後

図 7: (左) インストールされた CV。上流，バレル部の中から覗く。カロリメータをカバーしている。(右) 裏面の様子。波長変換ファイバーが走っている。

0にピークがシャープになっている様子がわかる。

うに，アルミ製の正 16 角形の外枠に 0.8 mm 厚のカー
ボンファイバー (CFRP) 板を張り，その上に 3 mm 厚

KL → 3π 0 を用いて各結晶のエネルギー再校正を行うと，ピークがシャープになる。入射エネルギーのわかっ
た電子を用いたこの測定とクロスチェックすることによのプラスチックシンチレータ (BC408) を敷き詰め，低物質量 (わずか 0.4 g/cm ) かつ不感物質のほとんどな
2い構造となっている。図 8 右の断面拡大図のように，シり，本番実験で行う，宇宙線と KL → 3π を用いた校ンチレータ側面を 60◦ に加工し，隣同士の隙間が正面か

6 2012 年前半までは，KOTO 検出器の内，カロリメータを含むエ

タストリップには 10 mm ピッチで 1 mm 径の波長変換

0ンドキャップ部分のみが設置されていた段階で，上流に各種の試験用検出器を備えられた。

ら見えないようにしている。70 mm 幅の各シンチレー
ファイバー (Y11(350)) が埋設されている。配置を 4 回

504
87

Y (mm)

1000

26
24
22

500

20
18
0

16
14
12

-500

10
8
-1000
-1000

図 8: CV を取り付ける CFRP 図面。波長変換ファイバーを裏面へと回す角穴が開けられている。右下象限にかれている。右図はストリップ断面の拡大図。

対称にし，図 7 右写真のように波長変換ファイバーを裏面に通してビームホールを避け，全ストリップの両読みを実現している。両端の出力を足すことによって検出光量の一様性を，平均時間をとることによって優れた
時間分解能を得ることができる。光出力については，7本のファイバーを束ねて 3 mm 角 MPPC(Multi-Pixel

Photon Counter) で読み出し，光検出効率を通常のバイ
アルカリ光電面 PMT に比べて 3 倍程度稼いでいる。この MPPC はペルチェ冷却器付きで，浜松フォトニクス
と共同開発したものである。これにより，MPPC を一定の低温に保ち，ダークカウントレートを低減し，ゲインなどの変動を抑えている。実際，10◦ C に温度コントロールすることによって，暗電流による 1 p.e. のレート

0

500

1000
X (mm)

図 9: 100 keV エネルギー損失当たりの光量の位置依存性。光量は両読みの和 (p.e. 単位)。

はシンチレータストリップを敷き詰める様子が，その内の 1 ストリップには波長変換ファイバーの取り回しが描

-500

2.4

ガンマ線・中性子検出器

ガ ン マ 線・中 性 子 検 出 器 NCC (Neutron Collar

Counter) は，崩壊領域の入口を絞り，上流からの KL
崩壊事象を抑制する役割を持つ。上流コリメータ中でKL が崩壊すると，崩壊粒子の一部がコリメータ内部で止められ，2 個の光子のみが下流に飛来することがある。

もし NCC がないと，これらが直接カロリメータに入射して膨大なバックグラウンドとなる。もちろん，崩壊領
域を囲う光子 veto 検出器の一つとしての役割も果たす。

NCC の設置位置はビームに近く，ハロー中性子と相互作用して π 0 を生成するとバックグラウンドの源となる。この位置に鉛-シンチ積層型カウンターを用いていた KEK E391a 実験では，この過程が主要バックグラウ
ンドであった。KOTO 実験では，相互作用長 (38 cm)と放射長 (1.9 cm) の比が比較的大きい undoped CsI 結晶を用い，光子阻止能力を保ちつつ，中性子反応率を下は 200 kHz 程度に抑えられている。MPPC のゲインはげている。π 0 が生成されたとしても，その崩壊光子に

8 × 105 程度で使用しており，50 倍の差動出力のプリアンプを開発実装して 1 p.e. パルスを十分検出可能にしている。

加えて，全体がアクティブな結晶シンチレータを用いる

CV は 2012 年 6 月にインストールされ，まず，2.2 節で触れた電磁石とドリフトチェンバーを備えたセットアッ
プでテストを行った。チェンバーでトラッキングして荷電粒子の入射場所を指定した際の両読みを足した光量の対する阻止能力が高く，カロリメータに到達させない。
ことによって，ハロー中性子による π 0 生成反応で同時に作られる粒子のエネルギー損失を 1 MeV の低エネル
ギーまで検出し，事象を排除する。

NCC には，ハロー中性子フラックスを直接測定し，バックグラウンド数の定量評価を確かにする役割もあ

分布を図 9 に示す。カロリメータの有効領域である半径る。このためには膨大な KL 崩壊起源の光子とハロー中

850 mm 以内の領域に対して，100 keV エネルギー損失
あたり 13–23 p.e.，全ストリップ平均で 19 p.e.(3 mm

軸方向に分割した CsI 結晶を波長変換ファイバーを用い貫通時の MIP ピークで 90 p.e.) と，十分優れた性能を得た。その後，ペルチェの冷却を含め，真空下でも問題なく動作していることを確認した。

性子を弁別することが必要である。NCC では，ビームて個別に読み出す方式を実現し (世界初)，光子と中性子のシャワー発展の差を検出して弁別する。
図 10 に NCC の構成を示す。48 個の 6.6 cm × 6.8 cm

505
88

図 10: NCC の正面図 (左) と上流から見た写真 (右)。

のモジュールを積み上げ，外周部には 8 個の 5 角形に整形された 45 cm 長の CsI 結晶（PMT による直接読み出し）が配置されている7 。NCC モジュールは，6.6 cm 角

図 12:

NCC で 使 わ れ て い る 波 長 変 換 ファイ バ ー(PMP5000) の発光吸収スペクトル。CsI 結晶の発光やPMT 感度とよくマッチしていることがわかる。

の結晶 3 個を，間に 1 mm 厚のアルミミラーを挟んで光学的に隔離して接着し，長さ 45 cm の一単位を形成している (図 11)。この上に 1 mm 径の波長変換ファイバーを 40 本設置し，これを通して結晶の発光を読み出す。中心部の 28 本については，3 結晶を共通に読み出す (光子 veto 検出器としての役割用)。外側 12 本については，4 本ずつで 3 結晶それぞれの光を別々に読み出す(ハロー中性子測定用)。

ンネルにわたり 0.45 p.e./MeV 以上の結果となり，こちらも十分な光量を得た。光学隔離している他の結晶に光が漏洩するクロストークの量は 1%以下である。

2012 年 12 月に J-PARC にてインストールを行い，その後，真空環境でも問題なく動かすことができた。宇宙線によるエネルギー校正の後，ハロー中性子測定を試
み，現在解析中である。図 13 にハロー中性子候補事象の例を挙げる。上流部の検出エネルギーが小さく (上流

図 11: NCC モジュール。
波長変換ファイバーで読み出す場合，1 MeV 相当の出力を検出できる十分な光量が得られるかが最大のポイントとなる。これを克服するために，図 12 にあるように，CsI 結晶の紫外発光を，紫外吸収青色発光の波長変換ファイバー (PMP 5000ppm) と組み合わせ，青色発光
を通常のバイアルカリ光電面の PMT の感度の高い領域
ともマッチさせることによって，高い光量の読み出しをデザインした。製作した 48 モジュール全数について宇宙線によるテストを行った結果，共通読み出しに対して

図 13: ハロー中性子事象の候補。読み出しチャンネル毎に，5 MeV 以上のエネルギー損失について，0–100 MeV
を青から赤 (100 MeV 以上を含む) の色分けで示す。左上が共通読み出し，右上が上流部，左下が中央部，右下が下流部の個別読み出し。

4.5 p.e./MeV 以上の光量を得られ，予定のバックグラ
ウンド削減能力を担保した。また，入射位置によるばらつきは最大で 30%に抑えられていた。個別読み出しについては，10 MeV の検出感度が条件であるが，全チャ
7 主モジュール，周辺モジュールの結晶は，各々，KEK E391a，KTeV 実験でカロリメータとして使われていた結晶を加工して再利用している。

からの KL 崩壊由来の光子ではない)，ビームホールから入射する光子と比べて径方向，奥行き方向ともにクラスターサイズが大きい，という中性子事象の特徴がよく現れている。今後解析を進め，ハロー中性子のフラック
ス，エネルギー分布などを引き出すことを目指す。

506
89

2.5

データ収集システム

大強度ビームを用いる場合，検出器の計数率が高くな
り，二つの異なるイベントの信号が重なってしまうことも起こりうる。重なった信号からでも正しいエネルギーや時間の情報を得るため，KOTO 実験ではすべての検

出器の信号を波形として記録する。また，高い計数率から来る高頻度のトリガー要求に対応するため，データ収集システムをパイプライン化し，デッドタイムを抑制している。
図 14 に KOTO 実験のデータ収集システムの概略を

図 15: オシロスコープで取得した CsI カロリメータのPMT からの信号 (左図) と 10 極ベッセルフィルターに通して ADC で記録された波形データ (右図)。

示す。KOTO 実験のデータ収集システムは，検出器の波形をデジタル化する ADC と，その波形情報を用いたトリガーシステムから構成されている [10, 11]。

情報用のデータはパイプラインバッファーに送られトリLevel 1 Trigger

ガーを待つ。一方，トリガー情報用のデータからは検出

Lv1 trigger system
Hit/
EnergyLevel 2
Trigger

Lv1
trigger

器のヒット情報やエネルギー和情報が 8 ns (=125 MHz

Level 3
Trigger

Detector

SignalADC
Data
Waveform
Digitization

Opticallink  
Lv2 Trigger
system Data   Data 



1Gbps
Ethernet link

図 14: KOTO 実験のデータ収集システムの流れ。
各検出器のアナログ信号は，環境ノイズの影響を抑制するため差動信号に変換したのち Category 6 Ethernet
ケーブルを介して ADC モジュールに送られる。デジタル化された波形情報は光ファイバーを通じてトリガーシ
ステムへと読み出され，トリガー情報，およびイベントのデータとして用いられる。トリガーシステムは Lv1–3の 3 段階で構成され，順次，イベントの取捨判断などを
している。

2.5.1

デジタル化した波形信号は，イベント情報用のデータとトリガー情報作成用のデータに分けられる。イベント

ADC

KOTO 実験では，分解能 14 bit でサンプリング周波数 125 MHz のタイプと，12 bit で 500 MHz のタイプのの 1 クロック) 毎に計算され，トリガーシステムに送られる。
トリガーシステムからイベントをアクセプトする判断
信号を受けると，ADC はパイプラインバッファーから
イベント用のデータを切り出し，そこから計算したエネ
ルギー重心情報と共に，Lv2 トリガーシステムへと送信する。物理データ収集時には，記録する波形データの時
間点数を 64 クロック分 (512 ns に相当) としている。

2.5.2

トリガーシステム

トリガーシステムはミシガン大学が開発したモジュールを用い，波形情報を使った 3 段階のトリガー判断を行っている。トリガーシステムと ADC の間は光ファイバーで接続され，光通信による高速データ転送を行う。

Lv1 トリガーシステムは ADC でデジタル化した波形情報を元に 8 ns 毎にトリガー判断を行う。ADC で計算された各チャンネルのエネルギー情報やヒット情報を光通信を用いて集約し，各検出器の総エネルギー情報やヒット情報を計算する。例えば物理データ用のトリガー
では，カロリメータ全チャンネルのエネルギー和 (主信2 種類の ADC モジュールを用いる。いずれもシカゴ大学によって KOTO 実験のために開発されたものである号)，CV や MB，NCC などの各エネルギー和 (veto 信[12, 13]。カロリメータを含むほとんどの検出器に対し粒子が入ったイベントを選び出した後，荷電粒子を含むては 125 MHz ADC モジュールを用い，ビーム中に置かれる検出器 (BHCV，BHPV) に対しては，高い計数率が予想されるために 500 MHz ADC モジュールを用いている。125 MHz ADC モジュールでは，デジタル化を行う前にベッセルフィルターと呼ばれるアナログフィル
ターを通して信号の幅を広げている。これにより，CsI
結晶の信号のような立ち上がりの速い信号に対しても十分なデータ点数を確保することができる (図 15)。

号) を Lv1 判断に用い，カロリメータにある程度大きなKL 崩壊は CV で，余分な光子を含む崩壊は MB で，上流での崩壊は NCC で，それぞれ veto する論理を作っている。後述する 2013 年 5 月の物理ランでは，Lv1 トリ
ガーレートは 28k events/spill (約 14 kHz) であった8 。

Lv2 トリガーシステムにおいては，ADC で記録されたデータに対して，1 イベント毎の処理を行う。現在はカ8 6 秒毎に約 2 秒間のビーム取り出しが行われる 1 サイクルを spill

と呼ぶ。

507
90

ロリメータの情報のみを判断に使用している。ADC の各チャンネルにマッピングされたカロリメータ上の位置
情報とイベントの波形から計算されたエネルギー情報からカロリメータのエネルギー重心を計算し，それを用いて Lv2 トリガー判断を行う。エネルギー重心を見分ける①電磁カロリメーター性能テスト
2010年10-11月
2012年2月

ことで，大きな missing エネルギーを持つ KL → π 0 νν

2012年6月

崩壊を取り除くことができる。Lv2 トリガー判断を通っ2013年1月

信号は残すが，中心付近に重心が来がちな KL → 3π 0

2012年12月

たイベントは，Lv2 トリガーモジュール上のメモリに

2013年3月

一旦蓄積された後，1 Gbps Ethernet を介して Lv3 PC
ファームへと送信される。2013 年 5 月の物理データ収②電磁カロリメーター性能テスト③CV性能テスト①④エンジニアリングラン(空気)⑤エンジニアリングラン(真空)②⑥テスト物理ラン③(加速器トラブルのため調整のみで終了)④⑥⑦

そのデータに対してトリガー判断を行う。今のところ，⑧

2013年5月

1 3

6

であった。

をまとめて，1 つのイベントのデータとして再構成し，

⑧物理ラン
⑤

2013年4月

集時の Lv2 トリガーレートは 8k events/spill (約 4 kHz)Lv3 トリガーシステムを構成する PC ファームは Lv2
トリガーモジュールから送られてきたイベントの断片⑦物理ランに向けた調整

10

15

20 24
ビーム強度(kW)

図 16: これまでの遅い取り出しのビームタイムとビー
ム強度の履歴。右上に各ビームタイムにおけるビームの主な使用方法を示す。

Lv3 トリガーシステムでのトリガー判断は行わず，データの可逆圧縮のみを行っている。各チャンネルの波形
データは，波高に応じて使用ビット幅を制限することで12 月に行われた (図 17)。中流部バレル検出器の内径と下流部シリンダ部分の外周は真円同士ではなく、また配圧縮され，1 イベントあたりのデータサイズを元のおよ置のずれや配線などの突起があるため，10 mm を切る

そ 3 分の 1 にしている。圧縮後のデータサイズは，1 イ

余裕しかない箇所もあり，合体はかなり慎重に行う必要

ベントあたりおよそ 130 KB である。これは 1 時間あたがあった。そのため，この作業が無事に終わった時は皆り 600 GB のデータ量に相当する。

ほっと胸を撫で下ろすとともに，やっとここまで来たん

データは，1 ランの終了後 (物理データ収集時は 1 ラだなと感慨深いものがあった。その後すぐに，上流部とンおよそ 1 時間としていた)，KEK つくばの共通計算機

中流部を合体した。そして，真空槽を実験エリアの所定(KEKCC) にあるデータストレージへと転送され，保存される。転送速度は，定常的に 2.7 Gbps を実現し，デーの位置に配置し，1 度目のエンジニアリングランを 2012年 12 月に行った。

タが蓄積される速度を十分上回っている。

3

物理ランまでの道のり
図 16 に KOTO 検出器建設に着手して以降の遅い取り出しのビームタイム履歴を示す。KOTO 検出器の建設
は 2010 年 5 月にカロリメータの結晶積み込み作業から始まった。そして，2012 年夏までの 3 回のビームタイム
で，エンドキャップ部分の検出器の試験，すなわち，電磁カロリメータの試験 (光子に対する応答の詳細スタディ
やスペクトロメータを使用した性能評価) や CV の試験(荷電粒子に対する光量や検出効率の測定) を行った。
その後，2012 年の秋から冬にかけて KOTO 検出器のインストール作業を急ピッチで進めた。前述した電磁

図 17: 真空タンクの中流部と下流部の構造体を合体させる様子。

カロリメータの耐震ふた，バレル部検出器 (MB,FB) や

NCC など，真空槽内に設置されるほぼすべての検出器をこの時期に集中して設置した。KOTO 検出器の真空槽は上流部，中流部，下流部からなり，3 つの構造体をた。そして，各検出器のエネルギー校正，時間校正の方合体させて一つの大きな真空タンクとなる。この合体

エンジニアリングランを真空を引いた状態で行った。

作業は KOTO 検出器建設のハイライトであり，2012 年

我々はまず，真空引きを行わず，空気中でのランを行っ法の確立を行った。そして，2013 年 1 月には 2 度目の

1 月のビームタイム終了後は，エンジニアリングラン

508
91

でわかった不具合のある検出器に対しての補修作業を行" "

" "

うことから始まった。幸いにも，真空タンクの最下流のふたを開けて作業できるものだけにとどまり，上流／中流／下流部を分離しなくてはならないような大掛かりな作業を行わずに済んだ。信号が確認できなかった電磁カ
ロリメータのチャンネルは，真空槽内の信号ケーブルを新たに引き直すことで動作が確認できた。そして，すべてのチャンネルの信号の読み出しに成功した。実のところ，カロリメータ全チャンネルの信号を一度にきちんと確認できたのはこれが建設以来初めてであり，KOTO
実験にとっては大きな一歩であった。
その後，我々は真空タンクより下流部に設置される検出器のインストール作業を行った。そして，ほぼすべての検出器の準備を整えた上で 2013 年 3 月のビームタイムを迎えた。当初の予定では 3 月のビームタイムで

KEK E391a 実験と同等の感度の達成を目標とした物理
ランのテストを行う予定であった。しかし，加速器トラブルがあり9 ，物理トリガーの調整途中でビームタイム
が終了してしまった。
このトラブルを受け，急遽，4 月の終わりに遅い取り出し運転の機会が設けられた。3 月にやり残していた物
理ラン用のトリガー調整を行い，基本的には物理ランに向けたすべての調整を終えることができた。
こうして満を持して，5 月のビームタイムは迎えられた。もちろん 5 月のビームタイムの目標は物理ランを行
い，Grossman-Nir limit を超える感度での物理結果を出すことであった。物理ランに向けた最終的なトリガー調整を行ったあと，5 月 17 日についに物理データの取得を開始した。

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図 18: 物理ランにおける積算 POT 数の時間変化。

であり，目標の約 5 分の 1 の量であった。

解析の状況

4

現在はまとまったデータがとれている 1 月と 5 月のビームデータの解析を行っている。

1 月のビームタイムでは KL → 3π 0 ，KL → π 0 π 0 ,KL → 2γ といった崩壊モードの事象を集めることに特化したトリガーを使用してデータを取得した。我々はこれらのデータを使用して，検出器の応答の理解を深めるとともに KL の生成数及び運動量分布の精密な測定を行っている。1 月のビームデータについては検出器のエネルギーや時間の校正が終わっていて，上に挙げた 3 つのモードを使用した詳細な解析を進めている。一例としこの時のビーム強度は 20 kW であったが，5 月 18 日て，図 19 に KL → 3π 0 崩壊事象解析において再構成さにはビーム強度は 23.8 kW とさらに増えた。我々はトリ布を示す。全領域にわたってデータとシミュレーション

ガー作成時の veto 条件を少し強化し，全体のトリガー
レートを抑えることでビーム強度の増強に対応した。これた，6 つの γ 線の不変質量，および，KL 運動量の分はよく一致しており，カロリメータの応答を正しく理解

こで，ビーム強度について一言述べる。23.8 kW の陽子

だデザイン強度の 10 分の 1 程度にしか到達していないとはいえ，J-PARC の大強度ビームの恩恵がいかに大きいかがわかる。
物理データ取得開始後は順調にデータ収集を行っていData
K L→π0π0π010# of events/ 100MeV

での値) は KEK E391a 実験に比べて 12 倍も多い。ま

105

105

# of events/ 2MeV/c2

ビームでの時間当たりの KL 数 (KL ビームライン出口

Data
K L→π0π0π010たが，残念ながら 5 月 23 日にハドロン実験施設で起こった事故10 により，ビームタイムは終了してしまった。図400

18 に物理ランでの積算 POT(Protons On Target の略)の分布を示す。800 × 1016 POT 集める事が当初の目標であった。しかし，実際に得られたのは 160 × 1016 POT

9 MR 加速器から遅い取り出しを行うためのセプタム磁石の電極の故障があり，遅い取り出し運転ができなくなった。
10 事 故 の 詳 細 は http://j-parc.jp/HDAccident/HDAccidentj.html を参照されたい。

500

600

mass [MeV/c2]

0

5000
10000
p [MeV/c]

図 19: KL → 3π 0 候補事象について再構成された 6γ の不変質量 (左)，および，KL 運動量 (右) の分布。黒の点がデータを，ヒストグラムがシミュレーションの結果を
示す。

509
92

できていることがわかる。また現状の解析では，上記 3
つの崩壊モードからそれぞれ独立に求めた KL の生成数

は数%の範囲内で一致していることも得られており，現在は系統誤差の評価を始めている。

並行して，5 月の物理データ解析も精力的に進めている。物理ランのデータ収集は Grossman-Nir limit を超えるという当初の目標には及ばない段階で停止となった。
しかし，KEK E391a 実験の上限値を更新できるポテン
シャルは十分にある。KOTO 実験では 2 節に述べたように背景事象を抑えるための様々な工夫を各検出器にして[2] A.V. Artamonov et al. [BNL 949 Collab.], Phys.
Rev. Lett. 101, 191802 (2008), A. V. Artamonov
et al. [BNL 949 Collab.], Phys. Rev. D 79, 092004(2009).
[3] Y. Grossman and Y. Nir, Phys. Lett. B 398, 163(1997).
[4] D.Bryman, A.J. Buras, G. Isidori, and L.S. Littenberg, hep-ph/0505171, Int. J. Mod. Phys.
A21, 487 (2006) and references therein.

いる。その結果，KEK E391a 実験に比べ，KL → π 0 νν

事象のアクセプタンスを向上できる。しかし，これはカ[5] M. Blanke et al., JHEP 01, 066 (2007).

ロリメータをはじめ，すべての veto 検出器の性能が目標[6] T. Goto, Y. Okada, and Y. Yamamoto, Phys.

を達成できるかにかかっている。このため，まずは各検出器の応答をさらに詳細に理解することが重要となる。
そこで，現在は各検出器のエネルギーや時間の校正，検出器の動作の安定性の確認を慎重に行っている。そして，
何か不安定な箇所がありはしないかと，検出器，データ収集の両面からの洗い出しを行っている。

5

まとめと展望KOTO 実験は物理データを収集する段階までたどり着き，2013 年 5 月の数日のランで KEK E391a 実験を凌駕しうるデータ量を集められた。物理結果を出すまでのステップはまだまだ多いが，自分たちで設計し作り上げてきた検出器たちの動作をデータを通して理解し，最大限の実験感度につなげていくことは楽しみでもある。
上記のデータ解析と平行して，崩壊領域を覆うガンマ線検出器を増強するための測定器11 の製作を行っており，

2014 年にはその測定器を組込む予定である。
ハドロン実験施設での実験が再開された後は，まず当初の Grossman-Nir Limit を越えるためのデータを取る。その後は，遅い取り出しのビーム強度増強が不可欠
で，50 kW，100 kW，…と上がっていくと期待している。KOTO 実験は毎年データ収集を行い，並行してデー
タ解析によってバックグラウンドの理解や抑制，アクセ
プタンスの向上を進め，KL → π 0 νν 崩壊の標準理論予

測分岐比レベル，O(10−11 )，に至る領域を順次探索して

いく。

参考文献
[1] J.K. Ahn et al. [KEK E391a Collab.], Phys. Rev.
D 81, 072004 (2010).

11 MB の内側に設置するもので，Inner MB と呼んでいる。

Lett. B 670, 378 (2009).
[7] W.S. Hou et al., Phys. Rev. D 72, 115007 (2005).
[8] A.J. Buras et al., JHEP 09, 106 (2010).
[9] 渡辺丈晃, 他,「KL → π 0 νν 実験（KOTO 実験）用ビームラインの建設」，高エネルギーニュース
28-4, 262 (2010).
[10] M.Tecchio et al., The Data Acquisition System
for the KOTO Detector, Physics Procedia, Volume 37, 2012, pp. 1940–1947.
[11] M. Bogdan et al., Data Acquisition System for a
KL Experiment at J-Parc,Topical Workshop on
Electronics for Particle Physics, Naxos, Greece,
15–19 Sep 2008, pp. 483–485.
[12] M. Bogdan, J. Ma, H. Sanders, Y. Wah, 2007
IEEE NSS-MIC Conference Record, N08-6, 2007,
pp. 133–134.
[13] M. Bogdan, J.F. Genat, Y. Wah, Real Time Conference, RT’09, 16th IEEE-NPSS, 2009, pp. 443–
445.