水チェレンコフ検出器による空気シャワーの到来方向の決定佐藤颯 難波宏樹
1Cosmic Rays

cherenkov光空気シャワー・荷電粒子の速度が媒質中の光速度より速くなると放射される青白い光（宇宙線）

水チェレンコフ 検出器

・宇宙空間を飛び交う高エネルギーの粒子
・一般には陽子、ヘリウムやその他の原子核成分（空気シャワー）・地表付近で二次宇宙線の中ではミューオンの数が多い→本実験ではミューオンの水チェレンコフ放射を観測。

今回の実験では水チェレンコフ 検出器として黒色の水タンク（800mm×640mm×580mm）に水を半分ほど入れ使用。
タンクの内側には集光率を上げるために白色のタイベックシートを貼った。

タンクの蓋に穴を開け、PMTを差し込んだ。

目標①宇宙線などの観測にしばしば用いられるPMTへの理解を深める。

②水チェレンコフ検出器を3つ用いて、その信号の到達時間差から空気シャワーの到来方向を決定。
1、GainCurve測定(前実験)2、1p.e.測定(前実験)
3、空気シャワー到来方向決定(本実験)3前実験～PMTの性能評価～
4

Setup（LED）（暗箱）

減光フィルターを設置する台に、LEDをつけた同軸ケーブルをテープで固定。
LEDの光が減光フィルターの範囲外から漏れないようブラックシートで台を覆った。

LED

PMT
LED※画像は減光フィルター
1-5-10の3枚を入れたもの。

暗箱の上からブラックシートを被せることで十分に遮光。

GainCurve閾値 - 0.3(V)
Pulse
Generator

Fan in/out

Gate Delay
Generator

Discriminator

NIM

10V
LED

PHADC
99.5%減光

HV

PMTShaper Amp

PC(解析)

Gain 20倍
暗箱
6Oscilloscope

解析

IWATSU DIGITAL OSCILLOSCOPE DS-5624A VIEWGO II• 周波数帯域：200MHz• 立ち上がり時間：1.75ns（代表値）• 入力インピーダンス：1MΩ
• 各トリガーごとに画面内のV-tの情報をCSVファイルで取得できる• 画面の画像を格納することも可能

・得られたCSVファイルのデータを元にV-t波形を積分することでチャージを計算。（抵抗は50Ω）
・それをチャージごとにカウント（縦軸：カウント数、横軸：チャージ）

pedestal

1 p.e.
Pulse
Generator

LED99.995%
減光
0V
HV

PMT

2400V

暗箱

oscilloscope

一光電子ピーク

二光電子ピーク
PC(解析)

4.5V

1 p.e.
今回の実験で一光電子測定では、PMTのGainは表のようになり、Gain平均は0.90×107 となった。
本実験で用いたPMTのGainの典型値(浜松ホトニクスＲ5912)は1.0×107 である。

0V

4.5V

5V

5.5V

6V

60.24

66.94

71.86

67.65

71.25

222.79226.18193.06211.85②ー①155.85

154.32125.41140.60PMT Gain

9.74 ×106

9.65×106

7.84×106

8.79×106①

Background charge mean(×10-14)②

1p.e. charge mean(×10-14)

本実験～到来方向決定～10

setup
HV(2400V)

PMToscilloscope

水PC(解析)HV(2400V)

PMT

PMT

水水

HV
(2400V)※実験に使用するケーブルの長さは同一

3つのタンクに来るミューオンの時間差から到来方向決定

座標設定
Z(天頂方向)

天頂角

方位角

理論

R3(0,R,0)

上から見た図R1(0,0,0)R2(R,0,0)オーダー

水タンク配置図
本実験ではR=2.5(m)tは数nsで観測する必要がある。
0.1nsオーダーまで読む必要がある。

到来方向誤差13

偶然同時係数

N(/s) :一秒あたりの偶然同時カウント頻度
n1,n2 :一秒あたりのカウント数（4.6）
τ:コインシデンス分解時間(20ns)(参考:粒子物理計測学入門)

計測時間あたりでは、9.1×10-4 個なので、問題なしと判断した。

時間差観測およそこの方向から来ていると推測される

Event1(分解能0.4nsで波形観測)

到来方向決定
Event 1

Φ=292° ± 21°（東北東）θ=9° ± 1°

Event 2

Φ=68° ± 5°（西北西）θ=40° ± 1°16

到来方向決定
Event 3

Φ=82° ± 4°（西）θ=65° ± 1°

Event 4

Φ=43° ± 7°（北西）θ=29° ± 1°

17

到来方向
地平座標⇨赤道座標(赤緯,赤経)と変換したものと合わせて表にした。

Event1

Event2

Event3

Event4

Φ(地平座標)

292°

68°

82°

43°

Θ(地平座標)

9°

40°

65°

29°

赤緯(a)

44°

75°

80°

64°

赤経(δ)

18h36m22h40m0h12m

21h32m光電子数

水チェレンコフ放射によるPMTへの入射粒子数実験値

Event1の画像ではタンク1,2,3それぞれに光子が20個、140個、95個がPMTに入射したという結果となった。

水チェレンコフ放射によるPMTへの入射粒子数理論値

Event 1

水チェレンコフ
放射後の光子

量子効率:20%
α:1/137
Θ:42°

光電子へ

x:30cmλ1:350(nm)λ2:550(nm)107倍

入射数が理論値より少ない？？？
PMT

原因• タイベックシートを上面に貼っていなかった。(面積比的に6%程度)⇨一回の反射でPMTへ入射したものしか反映されず、集光率が悪い。

課題、改善点・時間差測定の統計的な解析⇒オシロスコープの解像度の限界となっていた部分を上手く理論的に処理する方法。
⇒ 距離を広げて測定すれば時間差が大きくなるので統計的な解析が可能になる。(今回の距離で精度良い実験を行うのには限界がある)
・データ数をたくさん取る⇒θとΦの分布をプロットすればおもしろそうΦは一様分布、θは真上からが多いと予想

20

ご清聴ありがとうございました

21

②

水チェレンコフ検出器

・水中でのチェレンフコ光を光電子増倍管で観測

・42度の円錐状にチェレンコフ光が観測される。
(大気中では1度程度)

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/detector/cherenkov.html

地表でのミューオンのエネルギー分布
ピークは１GeV程度

Xは高度、λは平均自由行程

ここからマッピングすると真上からが多いと予想

https://www2.kek.jp/ksc/3rd_2009/2_kumita.pdf

ミューオン
•

10GeV/cのミューオンは、相対論的効果により寿命が207.95×10-6(s)となっていて、62.34km進むことが出来る。
⇨一次宇宙線の最初の反応場所は高度40㎞あたりなので地表まで届く。

•

二次宇宙線の天頂角分布は、エネルギーが高い方は～cos2θ、エネルギーが低い方は～cos3θに比例する。

•

ミューオンの場合は～cos2θに比例することが知られている。(透過しやすいため)(参考:粒子物理計測学入門)

Calibration
閾値 - 0.3(V)
Pulse
Generator

Fan in/out

Discriminator

NIM
Gate Delay
Generator

PHADC

PC(解析)

25

GainCurve

ADC-Count fitting (0V)

ADC-Count fitting (1400V)
26

GainCurve(一回目)1回目のPMTのGaincurve測定。

27

GainCurve(new PMT)
Pulse
Generator

LED

99.95%減光
HV

PMT

Gain 20倍
Shaper Amp

暗箱
oscilloscope

PC(解析)

1p.e.
0V

4.5V

5.5V

5V

6V

30

解析
立ち上がり時間にならってピークの1/10になる時間を到来時間とする方法
・問題点⇒イベント数が少ない⇒ピークがoscilloの外に出ることも多い。
⇒csvデータの解像度が1nsで不十分画像出力ができるので、0.4ns(0.1ns)の解像度で判別可能

到来時間差
二回目
一回目
三回目
四回目

0.8ns、2.0ns
0.5ns、-0.2ns
0.4ns、3.0ns
1.2ns、1.1ns

32

赤緯、赤経変換
参考: https://www.ir.isas.jaxa.jp/~maruma/kougi/sec2_190411.pdf

赤緯
赤経
Bは緯度(京都で35°)

赤経は時間に変換する

赤緯、赤経変換

ここから逆行列をとって赤緯、赤経を求めた。