Master Thesis
2014 年度 修士論文
Super-Kamiokande における
直線偏光レーザーを用いたレイリー散乱照射器の性能評価

名古屋大学大学院 理学研究科 素粒子宇宙物理学専攻 博士前期課程
太陽地球環境研究所 宇宙線研究室
学籍番号261301365

鈴木貴大

CR-Lab,Division of Particle and Astrophysical Science,
Graduate School of Science,
Nagoya University

1

概要
スーパーカミオカンデでは荷電粒子が水中で作るチェレンコフ光のリングを約 11000 本の光電子増倍管を用いて観測し、様々な粒子のエネルギー、方向、発生点、粒子種別などを測定することが可能である。粒子の判別やリングの認識には検出されたリングの内外光量比が利用されている。この光量比は GEANT3 を用いた
スーパーカミオカンデ検出器のモンテカルロシミュレーションで概ね再現されているが、シミュレーションで作られたイベントは実際のイベントに比べ後方散乱の光量比が 10% 少なく一致しないという結果が得られている。この不一致はチェレンコフ光の水中での主な散乱過程であるレイリー散乱の強度やその散乱角分布がシ
ミュレーションで必ずしも完全に再現されていないことを示唆している。本論文では、スーパーカミオカンデの水中でのレイリー散乱を偏光レーザー光を用いて測定を行なう偏光レイリー散乱較正実験の概要とその準備実験について述べる。実験に使用される最も重要な要素である偏光レーザー照射器の事前較正として、375nm
レーザー光を用いて、レーザー光の光量、プロファイル、偏光度、ハロー成分について、空気中、水中での測定を行った。空気中での測定でレーザーの光学系から 25.3cm の位置でのメインビーム径は 8.8mmφ と製造者が事前に行なった測定結果を再現した。ハロー光の強度は 10−3 程度となり、製造者の測定と比べ大きな値となったが、暗箱内での迷光の影響を評価すると実際のハロー強度は 0 度射出の主光の強度に対して

3 × 10−4 程度と考えられ、ほぼ一致する結果である。一方水中では、偏光度はほぼ 100% であるものの、消光曲線はテールの部分でサインカーブからのずれが見られた。
この照射器を用いて、実際にスーパーカミオカンデの内水槽で 375nm の偏光レーザー光の射出を行い、レイリー散乱光の測定を行った。その結果、光量は約 15000pe、安定度 99% 以上で、20 分間の測定を 4 セット行うことができた。ハロー光をカットするバッフルの有無で全光量は変化しなかった事から、大角度の強いハ
ロー光は無いと考えられる。今後これらデータの解析から、偏光を考慮したチェレンコフ光の水中でのレイリー散乱の詳細な知見が得られると考えられる。

2

目次
序章

6

1.1

スーパーカミオカンデ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.2

チェレンコフ光の性質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.3

水中でのチェレンコフ光の散乱と吸収 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.4

スーパーカミオカンデでのこれまでの水中キャリブレーション. . . . . . . . . . . . . . . . .

81.5

偏光を用いた他実験での先行研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.6

スーパーカミオカンデにおけるチェレンコフリング解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

91.7

本論文のモチベーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

直線偏光レーザー照射器による Rayleigh 散乱測定の概要

13

2.1

測定実験の概要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.2

直線偏光レーザー照射器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3

照射器製作者による射出光の評価 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

直線偏光レーザー照射器の較正用テストベンチの製作

18

3.1

暗箱の設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.2

パルスレーザー. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.3

純水装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.4

データの取得方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.5

受光部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.6

光学フィルター

31

1

2

3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ND フィルターの実効減光率の較正

32

4.1

Photodiode を使用した実効減光率の較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.2

PMT を使用した実効減光率の較正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

偏光レーザー照射器較正装置による測定結果

33

5.1

プロファイル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

5.2

空気中でのビームハロー測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

5.3

偏光 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

6スーパーカミオカンデでの偏光レイリー散乱測定実験

50

7

結論及び今後の展望

54

4

5

3

図目次
1

スーパーカミオカンデ内水槽での光の減衰長 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2

スーパーカミオカンデ内水槽での光の減衰長 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

MiniBooNE での偏光ビーム較正実験の散乱角度分布と散乱係数と散乱頻度の関係 . . . . . .

94

ミューオンイベントモニタ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115

内外光量比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

126

レーザー照射器設置概略図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

147

直線偏光レーザー照射器の概略図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158

直線偏光レーザー照射器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

169

直線偏光レーザー照射器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

10

コリメート光学部構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

11

バッフル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

12

暗箱内の様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

13

光学台の設計図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

14

レーザー照射器固定用 U 字バンド設計図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

15

レーザー照射器固定用 U 字バンド . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

16

半導体レーザーモジュール . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

17

レーザーソース部分 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2118

純水装置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

19

フォトダイオード使用の場合のデータ取得方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

20

PMT を使用した場合のデータ取得方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

21

オシロスコープ：Tektronix TDS2022B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

22

ADC のデータ取得システム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

23

Si フォトダイオード：S2281-01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

24

Photosensor Amplifire：C9329 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

25

Photodiode カバー設計図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

26Photodiode カバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

27

PMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

28

PMT カバー考案図. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

29

PMT 防水カバー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2930

治具とフォトダイオード防水ケース . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

31

光学フィルター設置時の配置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

32

レーザーモジュールインジケータ電流値対光量強度（Photodiode） . . . . . . . . . . . . . .

32

33

レーザーモジュールインジケータ電流値対光量強度（PMT） . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

34Photodiode の光電面の制限 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3435

空気中でのビームプロファイルの測定値（1 回目） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3536

空気中でのビームプロファイルの測定値（2 回目） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

37

水中でのビームプロファイルの測定値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4

38

ビームプロファイル測定位置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

39

Pedestal の ADC カウントによるヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

40

ND フィルター 10% を用いた ADC カウント分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

41

ND フィルター 10% を用いた ADC カウント分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

42

ND フィルター 5% を用いた ADC カウント分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

43

ND フィルター 1% を用いた ADC カウント分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

44

ハロープロファイル測定の全イベントの光量分布 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4245

ブラックシートを貼付けた場合の測定の様子 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4346

空気中で測定したビームハローの測定値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4447

空気中で測定したビームハローの測定値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

48

ブラックシート装着前の ADC カウントの値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

49

ブラックシート装着後の ADC カウントの値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

50

メインビームとハローの強度比 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4751

偏光測定の暗箱内のセットアップ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

52

空気中での偏光度の測定値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

53

水中での偏光度の測定値 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

54

レイリー散乱測定実験での取得データ内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

55

レイリー散乱測定によるレーザーイベントディスプレイ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

56

光量の時間安定性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

57

イベント毎の全光量のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

5

1 序章
1.1 スーパーカミオカンデ検出器
スーパーカミオカンデは、神岡鉱山茂住抗（岐阜県飛騨市神岡町）のある池の山地下 1,000m に位置する水
チェレンコフ検出実験装置である。現在は、主に陽子崩壊探索や、ニュートリノ観測を通して宇宙、素粒子に関する様々な研究が行われている。検出器は直径 39.3m、高さ 41.1m の円筒型の水槽で、水槽内は 50,000
トンの超純水で満たされており、光電子増倍管（PMT）が全面に規則正しく設置されている。また、水槽は2 重構造になっており、内水槽（ID）と外水槽（OD）に分けられている。内水槽壁面には内向きに 20 イン
チ PMT 約 11000 本が 70cm 間隔で、外水槽壁面には外向きに 8 インチ PMT 約 1900 本が取り付けられており、水中を走る荷電粒子（e、µ、π 等）が発するチェレンコフ光を捉えることができる。地上に 1cm2 あたり

1 分間に約 1 個の頻度で降り注いでいる宇宙線ミューオンなどのバックグラウンドを減らすため、検出器は地下 1,000m（2,700m.w.e.）3 に建設されており、宇宙線ミューオンの頻度は検出器全体で 2Hz 程度まで低減されている [1]。

1.2 チェレンコフ光の性質
スーパーカミオカンデは、荷電粒子が媒質中で起こすチェレンコフ放射という現象を観測することで、
ニュートリノ、地下宇宙線、陽子崩壊等を観測している。チェレンコフ放射とは荷電粒子が屈折率 n の誘電体を通過し、速度が誘電体内での光速度 c/n(c：真空中での光速度) を超えるとき、チェレンコフ光を放出する現象である。チェレンコフ光は粒子の運動方向に対して角度 θ の方向に円錐状に放出される。
荷電粒子と放射光子の間には θ を用いて以下のような関係がある。

cos θ =

1
nβ

(1.1)

ここで n は誘電体の屈折率、β = v/c で v は荷電粒子の速度、c は真空中の光速度である。また、チェレン
コフ放射が発生する条件は、0 ≤ cos θ ≤ 1 から、

v≥

c
n

(1.2)

となる。純水中（n ∼ 1.34）で荷電粒子が光速に近い速度（β ∼ 1）で通過すると仮定すると、式（1.1）より、

θ ∼ 42◦ と求められる。このとき、ある荷電粒子がチェレンコフ光を放出するのに必要な最小のエネルギー
Ethr は、荷電粒子の静止質量 m を用いて、
nmc2
Ethr = √n2 − 1(1.3)となる。この Ethr はチェレンコフ閾値（臨界エネルギー）と呼ばれる。純水であるということを考慮すると、

Ethr = 1.5mc2である。チェレンコフ光は光と粒子の進行方向を含む平面内で直線偏光している。

6

(1.4)

1.3 水中でのチェレンコフ光の散乱と吸収
スーパーカミオカンデは、荷電粒子により発生したチェレンコフ光を PMT で検出することにより、観測を行なっている。図 1 に示すように、チェレンコフ光は水中で散乱または吸収を受ける [1]。長波長の光は水分子の吸収によって大きく吸収される。短波長側は水分子や水中の微粒子によって Rayleigh 散乱または Mie 散
乱によって散乱を受ける。Rayleigh 散乱は光の波長より小さな誘電体に対して定義され、Mie 散乱は光の波長と同程度または、それ以上の大きさの粒子に対して定義される。スーパーカミオカンデで観測される典型的なチェレンコフ光の波長は約 400nm である。

図1

スーパーカミオカンデ内水槽での光の減衰長。縦軸が減衰長を表し、横軸は光の波長を表す [1]。

1.3.1 水中での Rayleigh 散乱
散乱体が光の波長に比べて充分小さい時、光は Rayleigh 散乱を受ける。スーパーカミオカンデでは、主に水分子が散乱体となり Rayleigh 散乱が起こる。レイリー散乱の微分散乱断面積の形状は cos θ と sin φ に依存し、その強度は λ−4 に依存する。ここでθは光子の散乱角、φは光子の偏光面と散乱平面のなす角度である。

1dσ∝ 4 · (1 − cos2 θ · sin2 φ)[3]
dΩ
2λ

(1.5)

1.3.2 水中での Mie 散乱
散乱体の大きさが波長に比べて同程度又はそれより大きい場合、光は Mie 散乱を受ける。波長に依存するが、一般に Mie 散乱では散乱体が大きいほど、散乱は前方に集中する。スーパーカミオカンデでは、水中のダストなど不純物が Mie 散乱を起こす。

7

図2

スーパーカミオカンデ内水槽での光の減衰長。縦軸が減衰長を表し、横軸は光の波長を表す [2]。

1.4 スーパーカミオカンデでのこれまでの水中キャリブレーション
スーパーカミオカンデの水中での吸収や散乱長は、CCD カメラによる色素レーザー光の散乱や、内水槽に設置したレーザー光からの散乱光測定、放射性同位体線源からのチェレンコフ光を利用した吸収長測定、宇宙線ミューオンからのチェレンコフ光を利用した減衰長測定などで測定され、長時間変動もモニターされている[7]。しかし、チェレンコフ光の重大な性質である直線偏光を用いた散乱光測定はこれまでなかった。スーパー
カミオカンデでは、以下の較正実験により水槽中でのチェレンコフ光の散乱長と吸収長の実測を行ない、シ
ミュレーションの較正を行なっている。

1.4.1 色素レーザー入射による減衰長測定
スーパーカミオカンデのタンク中央まで光を均一に拡散する拡散球を設置する。この拡散球は光学ファイバーの先端についており、レーザーボックス内で作られたレーザー光送られてくる。この拡散球をタンク上部に設置した CCD カメラを用いて光の強度を測ることによりその減衰長を測定する。レーザーボックスでは

Nd:YAG レーザーで作られたレーザー光をチタンサファイアレーザーに入射することで 420nm の波長のパルス光を作り出している。さらにこの光を高調波発生器を用いて 350nm から 500nm まで変えられるようになっている。

8

1.4.2 オートレーザーキャリブレーション
スーパーカミオカンデのタンク上面から水中にレーザービームを入射し、内水槽の PMT 自身を用いて、散乱光の時間部分布と散乱角分布を測定する。散乱光子の時間分布と検出位置の分布は、入射方向に対して対称成分（主としてレイリー散乱起因）と非対称性成分（主としてミー散乱起因）、および吸収成分の３種類を独立に考慮してフィットされる。異なるレーザー波長での測定結果と波長依存性を考慮してフィットした散乱長を図２に示す [2]。現在は、レーザー射出器がタンクの各箇所に設置されて、自動的にレーザーを射出してこの測定が随時行なわれるオートレーザーキャリブレーションになっており、水中での伝搬パラメーターの時間変化がモニタリングされている。

1.5 偏光を用いた他実験での先行研究
偏光ビームを用いたチェレンコフ光検出器の実験として、アメリカのフェルミ加速研究機構にあるオイル
チェレンコフ光検出器 MiniBooNE での偏光ビーム較正実験がある [4]。その実験の測定結果は図 3 で示してある。

図3

MiniBooNE 実験に用いられているミネラルオイルに偏光レーザー (442nm) を照射した場合の散乱光。cos θ 依存性を示した散乱角度分布 (a) と散乱係数と散乱頻度の関係 (b)。赤いプロットは入射光の偏光面に垂直な位置での測定点。青いプロットは入射光の偏光面に水平な位置での測定点 [4]。

1.6 スーパーカミオカンデにおけるチェレンコフリング解析
スーパーカミオカンデでは、各 PMT に検出されたチェレンコフ光の到達時間の分布から、イベントの発生点（vertex）を求める。次に、光量パターンから、最も光量の大きい主リングの向きを同定する。その後、主リング信号の差分を元のデータから引いて次のリングを探す（リングカウンティング）。各リングについてリ
ング内外の光量比を使って e-like リングと µ-like リングに分別する。最後に、リングの光量からエネルギーを

9

求め、粒子の識別結果から運動量を求める。
図 4 に宇宙線ミューオンがタンク中央を垂直に突き抜けた事象の、スーパーカミオカンデ内水槽のイベント
ディスプレイを示す。1 点 1 点がチェレンコフ光を検出した光電子増倍管を表す。下向きにチェレンコフ光のリングが観測されるが、リングの外側（上方）にも、水中での Rayleigh 散乱を起こしたチェレンコフ光が観測されている。Rayleigh 散乱によるリング外の光量は粒子種別の判定の際のエラーとなる他、リングカウン
ティングにおいて陽子崩壊 p → eπ 0 反応などにおける π 0 → 2γ のリングを判別し損ねる可能性を含んでいる[6]。また、各リングの種類を判別するリング内外光量の比較においても判別 f する閾値に近いリングについては誤認する可能性がある。
式 (1.5) より、レイリー散乱は偏光面に対して垂直な方向に対して散乱が起こりやすい性質を持っている。
直線偏光したレーザーからの散乱光の方位角依存性を調べる事で、他の散乱成分からレイリー散乱のみを切り分けて測定する事ができる。また、チェレンコフ光は直線偏光しており、検出器シミュレーション内にインプットされている散乱の偏光依存性をチェックすることにもなる。
偏光レーザーを照射してレイリー散乱の角度依存性を測定した先行実験として、アメリカのフェルミ研究所で行なわれている MiniBooNE 実験に使用されているミネラルオイルの測定がある [4]。MiniBooNE 実験は、
直径 12m の球形タンクの内壁に PMT を並べて中にミネラルオイルを入れ、ニュートリノ反応からのチェレ
ンコフ光とシンチレーション光の両方を測定する実験である。偏光レーザーをミネラルオイルに照射し、偏光面に垂直な方向からの光の量からシンチレーション発光の割合を見積もっている。このように、偏光レーザーと角度依存性の解析からこれまで分からなかった、スーパーカミオカンデ水中での散乱の詳細が分かる可能性がある。

1.7 本論文のモチベーション
スーパーカミオカンデのリング内外光量比は検出器シミュレーションにより生成されたイベントを用いて評価されている。このシミュレーションは SKDETSIM と呼ばれ、スーパーカミオカンデのジオメトリーをインプットしたもので、GEANT3 を用いて開発され、検出器中での入射粒子の振る舞いや、水中でチェレンコ
フ光の発生や伝搬中の Rayleigh 散乱と Mie 散乱による影響を考慮してモンテカルロ（MC）イベントを生成できるソフトウェアである。
図 5 上に、タンクを垂直に突き抜けた場合の実際の宇宙線ミューオンデータから発生したチェレンコフ光の角度分布を示す。シミュレーション（黒）とデータ（赤）はほぼ一致を示しているが、図 5 下に示す Data/MC比を見ると、リング外でデータの光量がシミュレーションに比べ、特に後方（100◦ 以上）で 1 割ほど多くなっている事が分かる。リング内外光量比が MC イベントと実データで一致しない事は、リングカウンティング、
粒子識別、また p → π 0 π + などの陽子崩壊の解析で、系統誤差を生む要因となる。一致しない原因として、散乱体となる水分子の散乱モデルの不完全性、水分子以外からの散乱等が考えられるが、まだ理解されていない。
スーパーカミオカンデでは、純水中でのチェレンコフ光の散乱角分布を詳細に検証するために、直線偏光させたレーザー光をスーパーカミオカンデ内水槽に射出し、Rayleigh 散乱をスーパーカミオカンデ自身を用いて測定する偏光レイリー散乱測定実験を行っている。（図 6）本論文では実際の使用に先立って行った半導体パルスレーザーを光源とする直線偏光レーザー照射器の較正実験について述べる。この実験において、Rayleigh
散乱の散乱確率を正確に測定するには、レーザー照射器のハードウェアによる迷光の反射や照射器内部の光学部の構造により発生するハローの影響を評価することが重要である。照射器を製作した昭和オプトロニクスによる自社測定は空気中のみで行われ、水中での射出光の評価は屈折率を考慮したシミュレーションのみの結果

10

図 4 タンク上部から下部に向かってミューオンが突き抜けたイベントの図。ミューオンにより発生したチェレンコフ光が水中で散乱する。光の少ない境界外部に見える信号はほとんどが水中でのレイリー散乱による光である [5]。

が得られている。また、偏光度についての実測した情報は無い。本論文では、これらの照射器の性能を独立に実測するため、水中測定が可能な照射器のテストベンチを製作し、レーザーの強度、ビームプロファイル、ハロー、偏光度を空気中及び水中で測定する実験を行った。
本論文の構成について述べる。1.3 章では、水中での散乱過程と、スーパーカミオカンデでこれまで行われてきたの光の散乱、吸収に関する較正実験について述べる。2 章では、偏光レーザー較正実験の概要と、レー
ザー照射器の詳細について述べる。3 章では、水中での照射器からの射出光測定を行なうテストベンチについて述べ、4 章で、解析に必要となる ND フィルターの実効減光率の較正について述べ、5 章で、その測定結果について述べる。6 章では、実際にスーパーカミオカンデで行った偏光レーザーによるレイリー散乱測定の概要について述べる。

11

図5

図 4 のイベントにて内外光量比を示したヒストグラム。右上の図はスーパーカミオカンデのタンク

内での θ の定義を示している。上下 2 つのヒストグラムの横軸は θ[deg] であり、1 度毎のビンニング。上
図は黒が MC イベントの光量、赤が実データの光量を示している。下図は実データの光量と MC イベントの光量の比を示している。グラフに表示されている縦の実線は左からタンク下面と側面との境界、側面と上面の境界、このサンプルの宇宙線ミューオンの入り口（タンク上面中心より 5m 以内）を示している [5]。

12

2 直線偏光レーザー照射器による Rayleigh 散乱測定の概要
2.1 測定実験の概要
偏光レーザーによるレイリー散乱測定実験ではスーパーカミオカンデの内水槽に直線偏光レーザー照射器を設置し、そこから照射される光によって散乱する散乱光を内水槽に設置された約 11000 本の PMT によって測定する。この実験の目的は、スーパーカミオカンデ内で荷電粒子が発生させるチェレンコフ光を再現し、その疑似チェレンコフ光のレイリー散乱光を測定することで、現行のシミュレーション（SKDETSIM）と実データの違いを修正することである。
レーザー照射器は図 6 のように設置される。実験に使用するものには、レーザー照射器を懸架するトライ
ポッド、レーザー線源を作る回路部、等がある。

2.2 直線偏光レーザー照射器
直線偏光レーザー照射器の構造を図 7 に示す。直線偏光レーザー照射器はコリメート光学部、ダンパー部、連結部の 3 部分から成る。パルスレーザーを入力とし、水中で平行光線となる直線偏光したレーザーを出力する。レーザー照射器に使用可能な波長は 337nm、375nm、405nm の 3 種類であり、チェレンコフ光を考慮した波長域を再現できる。コリメート光学部ではレーザー照射器に入力されたレーザー光から直線偏光したレー
ザー光を取り出すように偏光器が入っている。また、水中でも光学系が維持されるようにこの部分は防水構造になっている。コリメート光学部で作られた偏光レーザー光は連結部の中心線上を通ってダンパ部に入る。ダンパ部で入射された光は全て吸収される。連結部は同形の構造体を接続することによってビーム長の長さを1m から 3m まで 1m 毎に伸ばすことができる。これによってレイリー散乱の強度を 3 倍の範囲で変えて測定することができる。
この連結部でレーザー光はレイリー散乱を起こし、これをスーパーカミオカンデの PMT で検出する。ダンパ部の入光部分には遠隔可動式の拡散板が設置されている。レーザー光を拡散版に当て、レーザーから出力されている全光量を反射させ、内水槽の PMT で測定することにより、レーザー光の入射全光量を測定することが可能である。これは、Rayleigh 散乱の絶対確率を求めるために、また、レーザーモジュールから出力される光量の時間変化をモニターするために必要となる測定である。
図 8 はレーザー照射器のコリメート部と連結部分の写真である。半導体レーザーモジュールからインジェク
ターに光を入れる光ファイバは片側がレーザーモジュールに差し込むための FC コネクタとなっており、反対側はコリメート光学部本体に接続されている。この部分は防水加工がなされており、取り外し不可である。
また、コリメート光学部は図 10 のように、水中で直線偏光が平行光線になるように設計されている。空気中では屈折率が異なるため、最終レンズから 145mm の位置で集光するようになっている。
今回の測定ではビーム射出にある最終レンズ近くで大角度に広がるビームハローを抑えるために、図 11 に示されるバッフルという構造体を使用した。バッフルは最終レンズに直接装着する。この使用による効果も確
認する。

13

図6

レーザー照射器設置概略図。レーザーは上向きに照射される。レーザー光は光学部の最終レンズからレーザーダンパーまでの間の純水中を通過する。通過する距離は 1m、2m、3m のいずれかである。レー
ザーダンパーの口の部分にはリフレクターが設置してある。

2.3 照射器製作者による射出光の評価照射器製作者によるレーザー射出器の射出光の評価について述べる。照射器製作者は最終レンズから 10mmの位置と 145mm と 370mm の 3 ヶ所で強度の測定を行っている。ビームサイズの大きさは 10mm の位置で約 8mmφ、370mm の位置で約 16mmφ であると分かっている。また、主光に対するハロー光の強度の比は10mm、370mm の位置の両方で約 10−4 である。例えば、370mm の位置でのパワーメータによる測定値ではビームライン上では 2.1 × 103 nW に対して、主光のすぐ外側の 12mm の位置では 0.8nW である。[8]

14

図7

直線偏光レーザー照射器の概略図

15

図8

直線偏光レーザー照射器（コリメート部および連結部一部）

図9

直線偏光レーザー照射器外観図

16

図 10

コリメート光学部構造。上図：空気中、下図：水中

図 11

バッフル

17

3 直線偏光レーザー照射器の較正用テストベンチの製作
3.1 暗箱の設計
暗箱の設計は共同実験者である Choi Koun 氏とジーテック社による設計である。レーザー照射器が収まる
大きさ（横：1020mm、幅：660mm、高さ 500mm）を採用し、反射を防ぐ黒色の表面加工を行ったステンレ
スが使用されている。また、上蓋と機器のコード類を外に出す部分の通し穴には光学ダンパーと同じ役目を果たす返しが付いており、これにより外部からの光は入らない構造になっている。また、図 13 に示すように受光部固定用に光学台に多数の穴が開いており、光学台の端の中点を中心に 1.91°毎に開けられている。これにより、レーザー照射器からのビーム形状や、光学系からのハローの形状を測定することが可能になる。
また、純水を用いた測定を行うため、暗箱本体は曲げ加工によって水密構造に作られている。

図 12

暗箱の中の様子。左はインジェクター、右は PMT の水中カバー。

・レーザー照射器固定具
レーザー照射器固定具は台座と U 字バンドの 2 つのパーツから成る（図 14）。台座はレーザー照射器の光学部を乗せる部分と前方のリングを乗せる 2 つがあり、100µm の精度で高さが一定に成るように製作されており、U 字バンドに使用するネジ穴を暗箱内の光学台の上に固定する役割を果たす。U 字バンドの内径はレーザー照射器の 3 つのリングの外径よりわずかに 100µm 程度小さく作られており、金属の弾性を利用して適当な力がかかり固定できるようになっている。これら 2 種類のパーツでレーザー照射器を上下から挟み込み、前後 6 カ所でネジにより暗箱底面に固定する。

18

図 13

図 14

光学台の設計図

レーザー照射器固定用 U 字バンド設計図

3.2 パルスレーザー
パルスレーザーはスーパーカミオカンデでのレイリー散乱測定実験で使用する波長 375nm のレーザーダイ
オードモジュール (Scientex 社

型番 OPG-NIM-xxx、xxx には波長が入る。)（図 16）をレーザーソースと19

図 15 レーザー照射器固定用 U 字バンド

し、Clock Generator を用いて作った 1kHz パルス信号を入力して発光させる（図 17）。レーザーモジュールは半導体（LD）レーザーを用いたタイミング性能のよいレーザーで、パルス幅を 1ns から 5ns まで調整可能である。また、光量をツマミで連続的に調整する事ができ、出力はダイオード電流としてインジケーターで

mA 単位で表示される。

図 16

半導体レーザーモジュール : Scientex 社

OPG-NIM-375、レーザーダイオード：日亜化学工業

型番：NDU1113E

20

図 17

レーザーソース部分：右から 375nm 半導体レーザーモジュール：Scientex 社：型番 OPG-NIM375、10MHz Clock Generator：カイズワークス製：型番 KN270、2CH Gate and Delay Generator：
テクノグランド製：N-TM 307

21

3.3 純水装置
スーパーカミオカンデの水槽内で使用される水は超純水である。これを再現するために図 18 のような純水装置 (アズワン イオン交換純水装置 DI-20BB) を使い、活性炭フィルターとイオン交換装置により、微細な不純物（µm 以上）と水道水に含まれるカルキを除去した。

図 18

純水装置 : アズワン イオン交換純水装置 DI-20BB

3.4 データの取得方法
データの取得については受光部にフォトダイオードを使用する方法と PMT を使用する方法の 2 種類を取った。フォトダイオードを用いる場合は測定値にオシロスコープの電位差（波高の高さ）をのみを取得する。（図19）

PMT を用いる場合は ADC によって記録された光量の積分値を取得する。（図 20）3.4.1 オシロスコープ
オシロスコープは受光部にフォトダイオードを用いる場合に使用した。検出された波形の波高（電位差）を計測した。用いたオシロスコープは Tektronix TDS-2022B で 200MHz 帯域、2Gbit サンプリングである。

3.4.2 ADC のデータ取得システム
図 20、図 22 に示すように使用した ADC によるデータ取得システムは VME と ADC（CAEN V965A）とディレイ（2ch gate delay N-TM 307）と IO レジスター（REPIC RPV-130）から成る。ADC で PMT からのパルス信号を積分し、電荷を計算する。ADC のゲート信号は幅 100ns とし、レーザーモジュールをトリガーするクロックジェネレーターからの 1kHz のパルスを用いて生成した。ゲートタイミングを調整するために 1µs のディレイを挿入している。ゲート信号は IO レジスターを通して PC に取り込まれ、データ取得プロ
グラムにイベントがあった事を知らせる。PMT からの信号は 1 つの条件に付いて 1000 イベント取得した。

22

図 19 フォトダイオード使用の場合のデータ取得方法

図 20 PMT を使用した場合のデータ取得方法

23

図 21

オシロスコープ：Tektronix TDS2022B

図 22 ADC のデータ取得システム

24

3.5 受光部
測定の受光部分にはフォトダイオードと光電子増倍管（PMT）を用いた。この章では、使用した光センサとその周辺器具についての説明する。

3.5.1 フォトダイオード
フォトダイオードは浜松ホトニクス製 Si フォトダイオード S2281-01（図 23）を用い、フォトアンプ C9329（図 24）で増幅して用いた。測定では Mid レンジ（1 × 107 [V/A]) を使用した。電源としてフォトアンプの内部電池（9V 電池）を使用した。これは、コンセントからの電力供給を行うとフォトアンプのノイズレベルが高くなり、オシロスコープで波形の一部が見えなくなったからである。
フォトダイオードを使用した場合のデータ取得はオシロスコープの波高の高さを測定し、測定誤差はオシロスコープに表示される最小目盛りの 32% とした。これは、フォトダイオードを用いて検出できる最も弱い
レーザー光が、オシロスコープの 1 メモリが 1mV のスケールの状態の時に、波高 0.32mV という結果になったからである。これがフォトダイオードを用いて検出できる光量の検出限界である。
水中での測定をするために、全学技術センター・第一装置開発班の協力の元、フォトダイオード防水ケースを製作した。図 25 に製作図面を示す。ケースは疎水性の高い樹脂ポリカーボネートを使用して作られている。
受光面方向には短波長の透過性が高い紫外透過型アクリル（パラグラス）を使用して設計されている。防水には O リングを使用し、取り外しが可能である（図 26）。

図 23 Si フォトダイオード：S2281-0125

図 24 Photosensor Amplifire：C9329

図 25

Photodiode カバー設計図

26

図 26

Photodiode カバーの組み立て前の状態。Photodiode を BNC コネクタに接続し、コードを引きセットする。Photodiode の上から中央下のテフロンを緩衝剤として入れ、同様に防水用の O リングを乗せる。その上からパラグラスを乗せて、右下のネジ穴のあるリングをはめ込む。六角ネジでリングを固定する。コードの後ろ側は右上の半透明の蓋にネジ穴が切ってあり、ネジを締めるだけで防水できる構造になっている。

27

3.5.2 PMT
PMT は 10mm 口径の浜松ホトニクス製 H3164-10（図 27）を用いた。受光面の大きさは 8mmφ である。
また、波長 375nm の光の検出効率は約 20% である。高電圧には、950V の電圧をかけ、ADC によるデータ
取得システムを使って 1000 イベントの光量を測定しその平均を記録した。統計誤差は 1000 イベントの光量分布により決定した。空気中・水中両方で行われてた測定には次に説明する PMT カバーを使用した。

図 27 PMT：浜松ホトニクス製：3164-10

図 28、図 29 に示す様に、フォトダイオード防水ケース同様、受光方向にはパラグラスを挟み込み、ケース
本体の材質は疎水性の高いポリカーボネートで製作した。HV との接続を行う電源ケーブルと出力のレモケー
ブルの両方を使うため、ポリカーボネートと相性の良いシール材セメダインのバスコーク N を使用し、連結させた。また、詳細なビームの形状データを取得するため、黒色アクリル板を用いて、PMT カバーの入光部
分を φ1.2mm に制限した。

図 28 PMT カバー考案図28

図 29 PMT 防水カバー

29

3.5.3 受光部固定治具
この章では、フォトダイオードや、PMT を光学台に固定する時に使用したロッドとベースプレートによる、測定データへの影響について述べる。図 30 は治具とフォトダイオード防水ケースが組み立てられた様子である。PMT 防水ケースについてもフォトダイオード防水ケースと同様の接続方法である。ロッド下部は雄ネジが切ってあり、ベースプレートと接続できる。ロッドには 2mmφ のネジ穴が 3 つあり、3 つのネジを使って、ロッドに差し込む防水ケース下部に取り付ける円柱型の部品を挟み込むことで固定できるようになっている。
・ベースプレートと光学台
光学台でネジで固定するがベースプレートの固定部分の固定穴半径が大きいため設置位置に誤差が生まれる可能性があるためそれを評価する。使用した H 型のベースプレートの又の部分の径は 7mm、一方光学台のネジ穴は M5 キャップスクリューに対応しベースプレートの又の前後の部分をキャップスクリューネジによって固定した。これによるぐらつきの設置誤差は 2mm であった。この大きな誤差を減らすために、光学台にケガ
キ線を引いた。また、光学台に設置穴の無い部分で測定する場合と水中で測定する場合は、ケガキ線の上に光学台の中心軸が合うように、1mm の精度で手で設置した。よってこれによるビーム軸に垂直な方向の設置誤差は ±0.5mm、角度の誤差は ±0.12 度まで改善された。しかし、水中での測定では目視が難しく、ケガキ線による設置は上手く行かなかったため誤差は ±2.0mm、角度の誤差 0.48 度となった。
・ロッドと防水ケースとの接続防水ケースをベースプレートに固定するためにロッドを使用した。防水ケースはベースプレートと平行になるようにケースの稜線とベースプレートの稜線が一致するように目で合わせた。これによる防水ケースの角度の精度は ±1 度程度である。

図 30

治具とフォトダイオード防水ケース。下からベースプレート、ロッド、フォトダイオード防水ケースである。

30

3.6 光学フィルター (偏光フィルター・ND フィルター)直線偏光レーザーの偏光の測定に偏光フィルターを使用した。偏光フィルターは偏光面に対する回転角度を微調整できるマウンターにいれ、照射器から 3.5cm の位置に設置した。（図 31）また、PMT でレーザー光を受光する場合に、測定できる強度のダイナミックレンジを大きくするために、ND フィルターを使用した。
使用した偏光フィルターは SPF-50C-32（シグマ光機製）、ND フィルターは FND-25C02 シリーズの透過率

50%、10%、5%、1%、0.1% の 5 枚である。ND フィルターは反射型で、透過しなかった光は反射して光路に戻るので、レーザー照射器に反射光が戻らないよう光路に対して 4 度傾けた状態で設置した。

図 31

光学フィルター設置時の配置。左上図が暗箱全体の様子。レーザー照射器の最終レンズから 3.5mmの位置に ND フィルターを設置している。右上図はフィルター部分の拡大図。レーザービームに対して、
垂直から 4 度傾けて設置している。下図はハロープロファイル測定時の暗箱内全体の設定図である。この測定の際、ブラックシートを使用した測定も行った。ブラックシートを貼った位置は緑色の部分である。

31

4 ND フィルターの実効減光率の較正
本章では 3.2 章で紹介した半導体パルスレーザーの電流値とレーザー照射器から射出されるビームの強度とのリニアリティーの関係について述べる。3.6 章で示した ND フィルターは反射型の減光フィルターであるた
め、ND フィルターで透過しなかった光は反対側に反射される。この反射された光は暗箱やレーザー照射器
本体の構造体から反射されて迷光として受光部から観測される。この迷光により観測される光の強度は ND
フィルターの透過率に比例しない。そのため、各フィルターについてそれぞれ減光率を測定し、その受光部にフォトダイオードと PMT を用いた独立した 2 つの測定で比較した。ここで、フォトダイオードと PMT は、問題となる入力光の強度範囲で充分リニアリティを保っている、仮定している。この事は、独立な 2 つの測定で検証可能である。
測定は暗箱内で行なわれ、空気中で射出光の主光中心（＝ 0 度）での測定である。ND フィルターは最終レンズから約 35mm の位置に設置された。

4.1 Photodiode を使用した実効減光率の較正
図 32 が Photodiode を受光部に用いた測定の結果である。黒は ND フィルターを使用していないプロットである。赤、青、緑はそれぞれ 10%、5%、1% の ND フィルターを用いた結果である。測定値はフォトアン
プリファイアにより電荷を積分した値をオシロスコープの電位差として記録したものである。図 32 を見る通り、反射光の影響のため実際の減光率は ND フィルターのスペック値と異なり、10% フィルター、5% フィル
ター、1% フィルターに対して、それぞれ、65 ％、26 ％、0.65 ％となった。

voltage hight on oscilloscope[mV]linearity between laser output vs PMT voltage
1000

800

600

400

200

0

図 32

10

20

30

40

50

60
laser indicator [mA]

レーザーモジュールインジケータ電流値対光量強度。Photodiode での測定。縦軸はオシロスコー

プから読み取った電位差で、フォトアンプにより電荷を積分した値である。横軸はインジケータの電流値である。色は ND フィルターの透過率を示す。黒：ND フィルター無し、赤：10%、青：5%、緑 1%。

32

4.2 PMT を使用した実効減光率の較正PMT を用いた場合でも ND フィルターの実効減光率を測定した。この測定には PMT 防水カバーは使用していない。よって受光面は PMT の本来の受光面 8mmφ である。また、PMT での測定では ADC のダイナ
ミックレンジを超えるため、ND フィルター無しの場合の測定と、laser indicator = 60mA での 10% フィル
ター、5% フィルターの測定はできなかったため、indicator 30mA と 40mA の場合に、1%、5%、10 % フィ
ルターの相対減光率のみを求めた。その結果、5%/10% の減光率は 65%、1%/5% の減光率は 15% となった。
これはフォトダイオードによる実効減光率をほぼ再現している。（図 33）

mean of ADC countlinearity between laser output vs ADC count w/o filter bias

4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
20

図 33

25

30

35

40

45

50

55

60
65
70
laser indicator [mA]

レーザーモジュールインジケータ電流値対光量強度。PMT での測定。縦軸は ADC カウントからペデスタルのカウント平均値を引いた値である。横軸はインジケータの電流値である。色は ND フィル
ターの透過率を示す。赤：10%、青：5%、緑 1%。

5 偏光レーザー照射器較正装置による測定結果
前章で説明したテストベンチを用いて、レーザー照射器からの射出光の測定を行った。4 つの物理量（プロファイル（ビーム形状）・ビームハロー・偏光）を測定した結果を以下に示す。

5.1 プロファイル
ビームプロファイルの測定はフォトダイオードでレーザー主光の光量を検出し、オシロスコープの波高の高さを電圧で記録した。フォトダイオードの位置は測定位置の間隔を細かく取るために、ベースプレート上の1.91 度間隔に開けられた固定用ネジ穴を利用せずに、光学台に描いたケガキ線に手で合わせて設置した。設置
精度はケガキ線の太さ程度 (±0.47 度）とした。測定位置は照射器から 25.3cm の距離にあり、空気中での焦点面の 10.8cm 後ろ側（下流側）になる。

33

フォトダイオード本来の受光面の大きさは 100mm2 でビームプロファイル径より大きかったため、受光面を図 34 のように光学器具で制限して、φ2.0mm での測定を行った。
空気中の測定は 2013 年 10 月 1 日と 10 月 2 日と 10 月 18 日の 3 度行った。結果を図 35 と図 36 に示す。
図 1 に示すように、プロファイルの形は 1 回目と 2 回目でよい再現性を見せている。horizontal position の測定誤差は ±0.47◦ である。ビーム中心が 0.5◦ 程度中心から正方向にずれている様に見えるが照射器の暗箱への設置精度が ±2mm と大きいため、絶対的に中心位置がずれているかどうか判別するのは難しい。（図 35、36）測定されたプロファイルの幅は、照射器から 253mm 離れた平面内で半値半幅で 4.4cm (1 度）である。
これは昭和オプトロニクスの数値と矛盾しない結果である。（図 38）

図 34

Photodiode の光電面の制限。光学器具を Photodiode の光電面にセットする事で受光できる有効面積を φ2.0mm に調整した。光学器具は防水ケースとネジで接続すると共に、端点を黒いテープで固定した。

図 37 に水中でのプロファイル測定結果を示す。水中では屈折率の違いから、照射器から平行光線が射出されるはずである。本測定では、水中での測定結果は再現性のあるデータの取得ができなかった。色の違い
はデータを取得した日付を表す。特に青と紫のプロットのピーク位置に注目すると、ピークの位置がエラーで説明できない値になっていることが分かる。これは、設置時にベースプレートを手でケガキ線に合わせて設置しているため、水中では再現性のある設置が難しいことと、防水ケース内外の屈折率の差から、防水ケースへの射出光の入射角度が設置ごとに変わってしまうと防水ケースへ透過する光の割合が変わってし
まう、という原因が考えられる。水中でのハロー成分については、中心軸から 3 度離れた場所で、フォトダ
イオードの検出限界 (0.32mV）となっており、主光の 3 × 10−3 以下の強度であることが示された。これは253mm × tan 3◦ = 12mm から、ビーム半径が 12mm であることを証明し、ビームダンパー径 28mm φに収まる大きさである。フォトダイードではこれ以上の感度がないため、ハローの測定は PMT を用いて行なう。

34

図 35 空気中でのビームプロファイルの測定値（1 回目）。測定にはフォトダイオードを用いた。横軸はインジェクターの最終レンズからの角度。縦軸はオシロスコープの電位差の値。色はパルスレーザーのインジケータによる強度の指標。［赤：20mA、緑：40mA、青：60mA］

図 36 空気中でのビームプロファイルの測定結果（2 回目）。測定にはフォトダイオードを用いた。横軸はインジェクターの最終レンズからの角度。縦軸はオシロスコープの電位差の値。色はパルスレーザーのイ
ンジケータによる強度の指標。［黒：20mA、赤：30mA、青：40mA、緑：50mA、紫：60mA］実線はガ
ウシアン関数によるフィッティング。

35

図 37

水中でのビームプロファイルの測定値。測定にはフォトダイオードを用いた。横軸はインジェク

ターの最終レンズからの角度。縦軸はオシロスコープの電位差の値。色の違いはこの実験の再現性を確かめるために、日を変えて測定した結果である。測定は 2013 年に行った。
（赤：10 月 2 日、マゼンタ：10 月3 日）、青：10 月 18 日

図 38

レーザー照射器の最終レンズからのビームプロファイルの測定位置とその場所のビームサイズ。点A と点 C はレーザー照射器製作メーカーによる測定結果。点 B は較正実験で測定した位置で、ビームサイ
ズの大きさは製作メーカーによる測定から推定されるもの。これは較正実験で得られた測定値 4.4 × 2mmと矛盾しない値である。

36

5.2 空気中でのビームハロー測定
ビームハローを測定するためのセッティングは図 31 の下図である。インジェクターの先端から 35mm の位
置に ND フィルターを 0〜1 枚、フィルターホルダーに設置し、PMT と ADC によるデータ取得システムを用いて測定を行った。ND フィルターは入射ビームに対して垂直から 4 度ずらして設置し、全反射によりレーザー照射器光学部へビーム光が逆戻りするのを防止した。PMT の受光面は PMT 防水カバーに取り付けたア
クリル板により φ1.2mm に制限されている。PMT はレーザー照射器の最終レンズを中心として円弧状に配置されている光学台の穴に沿って、右側を＋、左側を−としている。0 点は光学台にある 0 度の位置のネジ穴を基準としている。また、PMT の先端から最終レンズまでの距離は 253mm である。

ND フィルター 2 枚を用いた測定も行われたが、この場合フィルターの入射側の面で反射した反射光が複雑な経路で迷光となり、透過率との整合性が取れるデータを取得できなかったため、0〜1 枚のみでのデータを採用することにし、ND フィルターの減光率はあらかじめ較正した実効減光率を用いた。（4 章参照）
ペデスタル及びダークヒットを差引くため、ビーム光を入射しない状態でも測定を行い、図 39 に示すように、1000 イベントの平均値と RMS から 31.03 ± 0.01 カウントを得た。

図 39 ADC カウントによるペデスタルのヒストグラム

以下、各点での空気中での測定結果（ADC カウンタの出力）を図 40、図 42、図 43、図 44）に示す。レー
ザーの出力強度は 20mA で固定し、ND フィルター 10%、5%、1% の 3 種類を用い、PMT 位置として、±7.64度、±5.73 度、±3.82 度、±1.91 度の 8 点で測定を行なった。

37

laser 20mA | Horizontal Position -7.64deg | filter 10%

laser 20mA | Horizontal Position -7.64deg | filter 10%
103

Entries

1000

Entries

1000

Mean

33.42

Mean

33.42

RMS

2.24

RMS

2.223

103

102

102

10

10

1

0

10

20

30

40

50

60

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

Entries

1000

Mean

33.46

RMS

2.277

RMS

2.314

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

図 40

30

40

50

60

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 10%
Entries

1000

Mean

33.96

Mean

36.43

RMS

2.582

RMS

3.746

10

20

30

103

10

10

20

1000

102

0

10

Entries

102

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

33.58

laser 20mA | Horizontal Position -3.82deg | filter 10%
103

60

Mean

10

20

50

103

10

10

40

1000

102

0

30

Entries

102

1

20

laser 20mA | Horizontal Position -5.73deg | filter 10%

laser 20mA | Horizontal Position -5.73deg | filter 10%
103

10

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

ND フィルター 10% を用いた ADC カウント分布。PMT の測定位置について、上段左：-7.64 度での測定 1 回目。上段右：-7.64 度での測定 2 回目。中段左：-5.73 度での測定 1 回目。中段右：-5.73 度での測定 2 回目。下段左：-3.82 度での測定。下段右：+1,91 度での測定 1 回目。横軸はコリメート光学部の最終レンズを中心としてビームラインからの角度を表わす。

図 44 は図 40-43 の各場所でのハロー測定結果の ADC 分布を足し合わせた物である。ハローの光量はほぼ 1pe 以下程度であるため、1pe のピークが 34.3 カウントに現れている。この値から 1pe あたり 3.3 カウントと見積もられた。

図 46 は空気中でのハロー強度の測定結果のまとめである。色の違いは使用した ND

フィルターの透過率によって分けられている。レーザーの迷光の影響を調べるために、照射器の先端にブラックシートを貼った測定も行い、比較検討した。ブラックシートは図 45 のように貼付けた。図 46 中の赤いハッ38

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 10%

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 10%
103

Mean

36.31

Mean

35.3

RMS

3.564

RMS

3.212

103

102

10

10

0

10

20

30

40

50

60

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

1000

Mean

34.52

RMS

3.315

RMS

2.946

1

0

40

50

60

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]laser 20mA | Horizontal Position 7.64deg | filter 10%
Entries

1000

Mean

33.79

Mean

35.31

RMS

2.57

RMS

3.347

10

30

30

103

10

20

20

1000

102

10

10

Entries

102

0

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

Entrieslaser 20mA | Horizontal Position 5.73deg | filter 10%

1

60

35.09

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

103

50

Mean

10

20

40

103

10

10

30

1000

102

0

20

Entries

102

1

10

laser 20mA | Horizontal Position 3.82deg | filter 10%

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 10%
103

1000

1000

102

1

Entries

Entries

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]laser 20mA | Horizontal Position 7.64deg | filter 10%
103

Entries

1000

Mean

37.88

RMS

4.071

102

10

1

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

図 41 ND フィルター 10% を用いた ADC カウント分布。PMT の測定位置については、上から 1 段目
左：+1.91 度での測定 2 回目。1 段目右：+1.91 度での測定 3 回目。2 段目左：+1.91 度での測定 4 回目。

2 段目右：+3.82 度での測定。3 段目左：+5.73 度での測定。3 段目右：+7.64 度での測定 1 回目。4 段
目：+7.64 度での測定 2 回目。

39laser 20mA | Horizontal Position -3.82deg | filter 5%

laser 20mA | Horizontal Position -5.73deg | filter 5%
103

Entries

1000

Entries

1000

Mean

32.51

Mean

32.98

RMS

1.649

RMS

2.087

103

102

102

10

10

1

0

10

20

30

40

50

60

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

Entries

1000

Mean

33.93

RMS

5.354

RMS

2.662

1

0

40

50

60

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

Entries

1000

Mean

33.75

Mean

33.51

RMS

2.392

RMS

2.369

10

30

40

103

10

20

30

1000

102

10

20

Entries

102

0

10

laser 20mA | Horizontal Position 3.82deg | filter 5%

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 5%

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

42.34

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

103

60

Mean

10

20

50

103

10

10

40

1000

102

0

30

Entries

102

1

20

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 5%

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 5%
103

10

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]laser 20mA | Horizontal Position 5.73deg | filter 5%
103

Entries

1000

Mean

33.38

RMS

2.29

102

10

1

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

図 42 ND フィルター 5% を用いた ADC カウント分布。PMT の測定位置については、上から 1 段目
左：-5.73 度での測定。1 段目右：-3.82 度での測定。2 段目左：+1.91 度での測定 1 回目。2 段目右：+1.91
度での測定 2 回目。3 段目左：+1.91 度での測定 3 回目。3 段目右：+3.82 度での測定。4 段目：+5.73 度
での測定。

40

laser 20mA | Horizontal Position -3.82deg | filter 1%

laser 20mA | Horizontal Position -5.73deg | filter 1%
103

Entries

1000

Entries

1000

Mean

31.78

Mean

32.03

RMS

0.9873

RMS

1.262

103

102

102

10

10

1

0

10

20

30

40

50

60

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

Entries

1000

Mean

33.63

RMS

2.148

RMS

2.486

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

1000

Mean

33.18

RMS

1.949

RMS

2.207

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

30

40

50

60

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]laser 20mA | Horizontal Position 5.73deg | filter 1%
1000

Entries

1000

Mean

33.38

Mean

32.92

RMS

2.27

RMS

1.997

103

10

20

10

Entries

10

10

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

Entries

102

0

60

32.99

102

1

50

Mean

laser 20mA | Horizontal Position 3.82deg | filter 1%
10340

laser 20mA | Horizontal Position 3.82deg | filter 1%

10

20

30

103

10

10

20

1000

102

0

10

Entries

102

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]33.39

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 1%
103

60

Mean

10

20

50

103

10

10

40

1000

102

0

30

Entries

102

1

20

laser 20mA | Horizontal Position 1.91deg | filter 1%

laser 20mA | Horizontal Position -1.91deg | filter 1%
103

10

1

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

0

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

図 43 ND フィルター 1% を用いた ADC カウント分布。PMT の測定位置については、上から 1 段目
左：-5.73 度での測定。1 段目右：-3.82 度での測定。2 段目左：-1.91 度での測定。2 段目右：+1.91 度での測定 1 回目。3 段目左：+1.91 度での測定 2 回目。3 段目右：+3.82 度での測定 1 回目。4 段目左：+3.82
度での測定 2 回目。4 段目右：+5.73 度での測定。

41

Total Event ADC count histogram
EntriesMean
RMS
χ2 / ndf
Constant
Mean
Sigma

12000

10000

8000

35000
34.11
3.273
1.521e+04 / 29
4927 ± 45.3
34.25 ± 0.02
1.603 ± 0.009

6000

4000

2000

0
0

図 44

10

20

30

40

50

60

70
80
90
100
ADC counts [1bin = 1count]

ハロープロファイル測定の全イベントの光量分布。図 40、図 42、図 43 の全イベントを足し合わせたヒストグラム。ペデスタルと 1photon によるピークが確認できる。

チで囲まれた測定点は、ブラックシートの貼っていない場合の測定を表す。横軸が 1.91◦ の位置で赤いハッチで囲われているプロットとそうでないプロットを比較するとブラックシートを貼った場合に光量が減ることが分かった。このことから、レーザー照射器の先端及び暗箱や光学装置のどこかで反射した光（迷光）が検知されていたということが分かった。
次に、この条件での反射光の分離について検証した。ND フィルターを透過した光子と反射されて PMTに検出される光子との光路差は 35mm × 2 = 70mm であり、7 × 10−2 /3.0 × 108 ∼ 0.2[ns] で、時間差によるPMT での分離は不可能である。また、その他の反射についても装置の形状から光路差を計算しても、時間分解能から光量の分離を行うためには、1ns 以下の分解能を有する光検出器が必要となる。

1 つの解決策としては、水中で使用可能な小型のビームダンパーをビームライン上に設置し、さらに、その他の反射が考えられる面にブラックシート以上に反射の少ない素材を配置するというものが考えられる。
図 47 は図 46 の horizontal position が正の位置でのブラックシートを付けていないデータを取り除いたものである。ここでは、horizontal position が 0 に向かうに従って光量が高くなっている傾向が見受けられる。
ただし、フィルターによって各 horizontal position のプロットの強度が逆転したり、外側の光量の方が高い
データが取れていたり等例外がある。
また、図 48 と図 49 はそれぞれ、ブラックシート無しのデータ点とブラックシート有りのデータ点だけを取り出して見た図である。フィルターを透過後、暗箱内のあらゆるところで反射した光等が迷光として PMT で観測されているのであれば、それはフィルターの透過率に比例するはずである。ブラックシートを無しでは透過率 0.5% のデータ点では跳ね上がっているのに対して、ブラックシート有りのデータでは透過率に比例して大きくなって見える。また、0.5% のデータ点の大きさを 2 つの図で比較すると迷光の成分は約 5 倍となっている。これは、この実験装置でのハロー光測定値の 4/5 が迷光である可能性を示唆している。
メインビームの強度と各 Horizontal Position でのハローの比は図 50 のように表わされる。メインビームの42

測定は半導体レーザーの出力強度のインジケータが 30mA、40mA、60mA での測定であるのに対して、ビー
ムハローの測定は 20mA のみでの測定であるため、それぞれの強度を Photodiode で測定したインジケータ
値対射出光量の関係（図 32）を使って、20mA に対する 30mA、40mA、60mA の光量比で補正した。この、
図 50 では ND フィルター 1% の時のみハロー光が強くなっているように見えるが、これは、ペデスタルの時
間変化に大きく影響される。今回ペデスタルは特定の時期に取得したデータから求めた値を使っているので、これが大きな誤差の原因になっている可能性がある。

3.3 章で示されているレーザー照射器製造者の検証結果とこの較正実験で得られたメインレーザー強度に対するハローの強度の比を比較してみる。製造者の結果は約 10−4 で有るのに対して、本研究での較正実験の結果は 10−3 である。これは暗箱内での迷光が信号の 80% を占めている可能性があることから実際のハロー成
分は 3 × 10−4 程度と考えられ、理解できる測定結果である。また、この測定の後、スーパーカミオカンデでのレイリー散乱測定実験にて、光軸が 1m に対して中心から 3mm ずれていたという報告がある。正確な測定を行なうためには上記されている迷光に対する対策と新たに修理が終わったインジェクターを使い再度測定する必要がある。図 46 が全ての ADC の平均値をまとめた図である。

図 45 ブラックシートを貼付けた場合の測定の様子。ビームは穴の奥にある最終レンズから照射される。
最終レンズから 3.5cm の位置に ND フィルターが設置されている。

43

図 46

空気中で測定したハローの測定値。横軸はインジェクターの最終レンズからの角度。縦軸は DAQで測定された 1000 個の ADC カウント値の平均からダークヒットの平均を差引いて、フィルターの透過率による補正をかけたものである。色の違いは使用した ND フィルターの透過率によって分けられている。
（赤：100%（フィルター無し）、シアン：10%、マゼンタ：5%、青：1%）赤のハッチで囲まれたプロット
はブラックシートを貼っていない測定点を示している。

44

QDC output multiplied filter factor

Halo Profile by PMT
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

図 47

-8

-6

-4

-2

0

2
4
6
8
holizontal position [unit of angle]

空気中で測定したハローの測定値。横軸はインジェクターの最終レンズからの角度。縦軸は PMTで測定した ADC カウントの 1000 イベントでの平均値を示す。図 46 で条件がの重複するイベントを消去
した。

図 48

ブラックシート装着前の ADC カウントの値。Horizontal Position : 1.91deg、横軸は ND フィル

ターの透過率である。

45

図 49

ブラックシート装着後の ADC カウントの値。Horizontal Position : 1.91deg、横軸は ND フィル

ターの透過率である。

46

ADC counts Ratio[%] (Conv.30mA,40mA,60mA)

Halo[10%filter] / Main Beam Intensity Ratio
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

-8

-6

-4

-2

0

2
4
6
8
holizontal position [unit of angle]

ADC counts Ratio[%] (Conv.30mA,40mA,60mA)

Halo[5%filter] / Main Beam Intensity Ratio
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

-8

-6

-4

-2

0

2
4
6
8
holizontal position [unit of angle]

ADC counts Ratio[%] (Conv.30mA,40mA,60mA)

Halo[1%filter] / Main Beam Intensity Ratio
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

図 50

-8

-6

-4

-2

0

2
4
6
8
holizontal position [unit of angle]

メインビームとハローの強度比。ND フィルター 10%、5%、1% での測定をメインビームの測定結果と比較した。縦軸は ADC カウントの値での比。メインビームの強度を 100% である。横軸はHorizontal Position。メインビームの測定結果は半導体レーザーのインジケータが 30mA、40mA、60mAでの測定である。これに対して、ハロー測定はインジケータ 20mA での測定。これによる光量差を補正するために Photodiode での測定において得られたインジケータの電流値対光量強度の値を用いた（図 32 を参照）。赤：30mA、青：40mA、緑：60mA。各データにはそれに対応する補正をした。

47

5.3 偏光
偏光の測定にはレーザー照射器からフォトダイオードまでのレーザービームライン上に偏光板を置き、その偏光板を回転させることで、偏光方向と偏極度の測定を行った。（図 51）パルスレーザーのインジケータは20mA でパルス幅が 3ns、1kHz で発振した。偏光板はレーザー照射器の端点から 128mm のビームライン上に設置した。この偏光板は 0.5 度の精度で測定が可能である。
この測定でフォトダイオードが検知できる上限値は 0.32mV であった。このことからレーザーの偏光度は99.4% 以上であることが分かった。
また、偏光の方向は設計の位置と合致していることが確認できた。
一方図 53 に示すように、水中での偏光の測定結果は偏光による消失度もほぼ 100% である事が確認できた。
しかし、図 53 を見ると消失曲線のテール付近で sin 関数でのフィッティングが合わないという結果になった。
ピークの位置は空気中のものと一致し、同時にピークを中心に左右の形の対称性が維持されていること、また水中での偏光の方向は空気中の結果と合致しており、射出光の偏光自身には問題ないと考えられる。

図 51

偏光測定の暗箱内のセットアップ。レーザーインジェクターの先から偏光板までの距離は 128mm。

48

図 52

空気中での偏光度の測定値。測定にはフォトダイオードを用いた。横軸はインジェクターの最終レンズからの角度。縦軸はオシロスコープの電位差の値。プロットの誤差は横軸が偏光フィルタホルダーの回転つまみによる誤差（±0.5◦ ）、縦軸はオシロスコープの波高読み取りによる誤差（測定時の表示スケー
ルによって異なる）。SIN 関数でフィッティング。偏極度はほぼ 100% である。

図 53

水中での偏光度の測定値。測定にはフォトダイオードを用いた。横軸はインジェクターの最終レン

ズからの角度。縦軸はオシロスコープの電位差の値。SIN 関数でフィッティング。フィッティングに合致していない。

49

6 スーパーカミオカンデでの偏光レイリー散乱測定実験
5 章までで述べた照射器を用いたスーパーカミオカンデでの偏光レイリー散乱測定実験は 2014 年 10 月 23日に測定が行われた。取得したデータの内容を図 54 に示す。今回の測定以前には 2014 年 3 月に一度測定されている。バッフルに関しては 2.2 章に述べられている。ビームが水中で散乱される長さであるビーム露出長

1m、2m、3m のデータをそれぞれ取得し、1m のデータについては、バッフル有りとバッフル無しの 2 種類のデータを取得した。
使用する半導体パルスレーザーの出力光とそれに伴うレーザー射出器からの総光量は時間変化する。この光量変化の時間安定性は Rayleigh 散乱の散乱確率に影響を及ぼす。そのため、実験データはデータセットという形で 1 つの条件に対して、3 つのランを取得する。散乱のみを見るためのビームをダンパー部に入射させる
ダンパーランを取得する前後で、ビームライン上に拡散板を入れて、全射出光を反射させて観測するリフレク
ターランを取得する。

図 54 レイリー散乱測定実験での全取得データ内容。データセットは 3 種類のランから成る。初めの約

20 分間はビームラインに拡散板を入れて射出光を全て反射したリフレクターランのデータを取得し、次の20 分間はビームをダンパー部に入れ、散乱光だけを見ることができるダンパーランのデータを取得する。
さらに次の 5 分間は最初と同じ条件でリフレクターランのデータを取得する。これを 1 つのデータセットとして定義している。L はビームラインの露出長である。

実際に取得されたデータの様子を図 55 に示した。左図が拡散板をビームライン上に入れたリフレクター
ランのイベントで、右図が散乱光のみが見えるダンパーランのイベントである。黒い小さな円がそれぞれその場所に当たった PMT の信号を示しており、円の大きさによって観測された信号の大きさを示している。レー
ザー照射器は上向きに照射された。左図は拡散板に当たって散乱した様子が見えている。下面に見える 3 本の軸はレーザー照射器の接続部にある 3 本のポールによる影が見えている。また、側面下部に見えている光があまり当たっていない場所についても接続部にあるリング型の構造体の影が見えている。右図は水中での散乱の50

みが見えるデータであるが、散乱確率は小さいため 1 イベントだけでは形状は把握できない。それぞれのイベ
ントのヒット数・全光量を比較すると 2 桁の差があり、散乱のみのデータであることを改めて確認できると共に、1PMT あたりの光電子数は、ほぼ 1 光電子程度のデータが取れていることが確認できた。

図 55

スーパーカミオカンデでのレイリー散乱測定によるレーザーイベントディスプレイ。ディスプレイ

は内水槽の展開図になっており、上部の円が内水槽の上面、下部の円が内水槽の下面、中央の四角が内水槽の側面を示している。左図はビームラインに拡散板を入れて、全ての光が散乱されているイベントである。右図はビームラインがダンパー部に入り、水中での散乱と光学系によるハロー成分のみが見えている
イベントである。
（1m、バッフル無し）

測定された全光量の時間変化を図 56 に示した。内水槽の全 PMT で検出された光量の合計を 100 秒毎で平均化したものである。どちらも時間が経つに連れて光量はわずかに上昇してほぼ安定しているという結果が得られた。また、その変化率はどの条件の場合でも 1%/hour 程度である。光量の安定性が良いことが確認できた。
図 57 は、イベント毎の全光量の分布を表している。上段がビームを拡散板に当てたイベント、下段がビームをダンパー部に打込んだイベントである。左側がバッフル無し、右側がバッフル有りのイベントである。上段の 2 つのデータセットの拡散板を用いたデータからピークの位置が約 15000[P.E.] にあることが確認できる。これは、偏光レーザー較正実験で求められた、射出光の全光量と同等な大きさである。また、期待されるとおり、バッフル有り無しで同程度の大きさの信号が得られた。

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図 56

スーパーカミオカンデでのレイリー散乱測定によるレーザーイベントにおける光量安定性を示す図。

横軸が時間を秒単位で表している。1bin は 100 秒で、その時間でのイベント毎の全光量の平均値である。
どちらもビーム露出長 1m についてのヒストグラムで、左図はバッフル無し、右図はバッフル有りのデータである。赤いヒストグラムはビームライン状に拡散板が置かれているイベントのデータで、射出されたビー
ム光の総量と等しい。青いヒストグラムはビームがダンパー部に入り、純水中での散乱光及びハロー光のみを見ているイベントのデータである。黒の実線は一次関数によるフィッティングであり、このフィッティ
ング関数のパラメータから、左右のデータセットの光量安定性はそれぞれ、+1.01%/hour、+0.47%/hourと安定している。

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図 57

イベント毎の全光量のヒストグラム。ビーム露出長さ 1m のデータセット。左側がバッフル無し、右側図がバッフル有りのヒストグラムである。上段がビームが拡散板によって反射されたイベント、下段がダンパー部にビームを打ち込み散乱光及びハロー光のみが見えるイベントである。

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7 結論及び今後の展望
スーパーカミオカンデは荷電粒子が水中で作るチェレンコフ光のリングを約 11000 本の光電子増倍管を用いて観測し、様々な粒子のエネルギー、方向、発生点、粒子種別などを測定することが可能な水チェレンコフ
検出器である。チェレンコフリングの解析には、水中でのチェレンコフ光の伝搬の理解が本質的に重要である。スーパーカミオカンデでは、レーザー光や、宇宙線ミューオン、放射線源などにより、水中での光の散
乱、吸収の精密な較正が行われてきた。これは、GEANT3 を用いた検出器シミュレーションで概ね再現されている。一方、粒子の判別やリングの認識に影響を及ぼすリングの内外光量比は、シミュレーションで作られたイベントに対して実際のイベントは後方散乱の光量比が 10% 多く、一致しないという結果が得られている。
この不一致はチェレンコフ光の水中での主な散乱過程であるレイリー散乱の強度や、その散乱角分布がシミュ
レーションで必ずしも完全に再現されていないことを示唆している。この問題に対して、スーパーカミオカン
デの水中でのレイリー散乱を偏光レーザー光を用いて実際に測定を行なう偏光レイリー散乱測定実験が行われている。この測定では、偏光面に垂直に散乱を起こすレイリー散乱の特徴を使って、レイリー散乱の成分を選択的に測定する事ができる。またチェレンコフ光は直線偏光しており、偏光に対する散乱を確認する上でも重要である。本論文では、偏光レイリー散乱測定実験とその準備実験として偏光レーザー照射器の事前較正を行った。
偏光レーザー照射器の事前較正として、375nm レーザー光に対して、レーザー光の光量、プロファイル、
偏光度、ハロー成分について、空気中、水中での測定を行った。空気中での測定ではレーザーの光学系から25.3cm の位置でのメインビーム径が 8.4mmφ ということが分かった。これは照射器製造者の自社測定結果をおおむね再現する結果となっている。メインビームに対するハローの強度は、暗箱内での迷光の影響を考慮し差し引くと 3 × 10−4 程度と考えられ、ほぼ製造者の測定と一致する結果である。水中での測定では、メイン
ビーム径は 12mm 以下であった。ハロー強度は主光の 3 × 10−3 以下であった。この結果からダンパーに収まる大きさであることが分かった。ビームの偏光度は空気中ではほぼ 100% であることが測定から証明された。
また、水中では空気中と比べて消失曲線はテールの部分でサインカーブからずれているのが分かるが、消失度については 100% を維持していることが分かる。この形状から水中での偏光度も問題ないと結論される。以上のことから、照射器は期待される性能を満たしていると結論される。
この照射器を用いて、実際にスーパーカミオカンデの内水槽に 375nm の偏光レーザー光の射出を行い、レイリー散乱光の測定を行った。この測定は、2014 年 10 月 22 日と 10 月 23 日に行われた。その結果、取得できたデータは 1 セット約 45 分間の測定が 4 セットである。データは約 300Hz で取得され、レイリー散乱を解析可能なレーザー照射装置のダンパー部が開いている状態のデータが合計で約 108 万イベント得られた。
このデータは露出したビームライン 1m でバッフル無し、1m バッフル有り、2m バッフル有り、3m バッフル
有りの 4 つの条件で取得した。また、各イベントの全光量のデータから光量は約 15000pe、安定度 99% 以上であり、信頼性の高いデータである。バッフル有りとバッフル無しデータの全光量の比較から、バッフルで除去されるような大角度の強いハローは無い事が確認された。
今後これらデータの解析から、レイリー散乱の強度と散乱角分布を求めることができれば、偏光を考慮したチェレンコフ光の水中でのレイリー散乱の詳細な知見が得られると考えられる。

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謝辞
本研究を進めるにあたって、多くの方々のご指導、ご協力を頂きました。この場を借りまして感謝の意を表します。
指導教官の伊藤好孝先生には、本研究並びにスーパーカミオカンデ実験に参加する稀代且つ貴重な機会を与えて頂き、直接、非常に多くのご指導を頂きました。心から深く感謝致します。また、田島宏康先生、増田公
明先生、松原豊先生、さこ隆志先生、毛受弘彰先生、山岡和貴先生、阿部文雄先生には本研究を進める上で、非常に重要なご指導、ご協力を頂きました。深く感謝致します。
較正実験の装置製作にて名古屋大学全学技術センター・第一装置開発班の皆様にご指導・ご協力を頂きました。特に鈴木和司さん、鳥山哲司さんからは様々な重要なご意見を頂きました。

東京大学宇宙線研究所の鈴木洋一郎先生にも、このような研究の機会を与えて頂きました。塩澤真人先生、亀田純先生には、レイリー散
乱キャリブレーションを初めとする本研究に限らず、神岡でのあらゆる研究について熱心にご指導頂きました。キャリブレーショングループの森山茂栄先生、小汐由介先生、UCI の峰俊一先生には SK でのキャリブ
レーションにおいて貴重な意見を頂きました。深く感謝致します。また、早戸良成先生、三浦真先生、関谷
洋之先生、竹田敦先生、戸村先生には SK シフトに際しまして大変お世話になりました。池田一得先生には、

EGADS 検出器を初めとして、多くのご指導と貴重な経験をさせて頂きました。深く感謝致します。
神岡事務室の清水容子さん、霜出京花さんには出張の手続きや宿泊の面で大変お世話になりました。深く感謝致します。
本実験を進めるにあたり、熱心にご指導、ご協力して下さった、レイリー散乱測定実験グループの方々、名古屋大学地球環境研究所神岡グループの Koun Choi さんと東京大学の中島建雄さんに心より感謝致します。
東京大学の中野佑樹さん、須田祐介さん、岡直也さん、小林雅俊さん、織井杏里さん、京都大学の高橋翔太
さん、廣瀬誠子さん、坤賢さん、中川克磨さん、ロチェスター大学の岩本幸之介さん、名古屋大学宇宙線研究室の内田裕義さん、瀧谷寛樹さんには、神岡での研究生活を非常に楽しいものにさせて頂きました。深く感謝致します。
名古屋大学太陽地球環境研究所の方々にも多くのご協力を頂きました。川出健太郎さん、永井雄也さん、三宅芙沙さん、佐々井義矩さん、牧野友耶さん、鶴見尚さん、松林恵理さん、鈴木麻未さん、伊藤司さん、冨塚慎司さんには、研究や研究生活について、様々な意見を頂き、支えて頂きました。海内智代さんには、研究室での生活を支えて頂き、大変お世話になりました。深く感謝致します。また、研究室の同期の河島孝則君、小林巧一君、周啓東君、杉浦佑樹君、竹内雄也君、福永大輔君とは共に研究について議論したり、食事したりや遊んだりと、とても仲良くして頂きました。深く感謝致します。
この 2 年間、名古屋大学太陽地球環境研究所での研究生活は非常に充実したものとなりました。これは、皆様からの惜しみないご協力の元に成り立っています。改めて心より感謝申し上げます。
そして最後に、私を育て、今までの人生を支えてくれた家族に、心から感謝します。

平成 26 年 1 月

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鈴木

貴大

参考文献
[1] ”The Super-Kamiokande detector”, Y.Fukuda et al., The Super-Kamiokande Collaboration, Nucl.
Instr. Meth. A501 (2003) 418.
[2] ”Calibration of the Super-Kamiokande Detector” Nucl. Instr. Meth, A 737C (2014), arXiv:1307.0162.
[3] ”ジャクソン電磁気 原書第 2 版”, J.D. David Jackson, 西田 稔, 吉岡書店, (1995) 506-507.
[4] ”Study of Scintillation, Fluorescence and Scattering in Mineral Oil for the MiniBooNE Neutrino
Detector”, Bruce C.Brown C. et al., MiniBooNE Collaboration, IEEE Nucl.Sci.Symp.Conf.Rec. 1(2006) 652-656 FERMILAB-CONF-04-282-E.
[5] ”Super-Kamiokande における偏光レーザーを用いたレイリー散乱の測定”, 日本物理学会における口頭発表,. Kameda Jun, 2014 年 9 月 18 日.

[6] ”Search for Proton Decay via p → e + π 0 and p → µ + π 0 in a large water Cherenkov detector”,
H.Nishino et al., The Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 14180.
[7] ”Calibration of the Super-Kamiokande detector”, K.Abe et al., The Super-Kamiokande Collaboration,
Nucl. Instr. Meth. A737 (2014) 253.
[8] Private Communication, 昭和オプトロニクス.

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