J-PARC E69 実験（WAGASCI プロジェクト）における読み出し基板開発と最初のニュートリノビーム測定の結果
横浜国立大学

理工学府

数物・電子情報系理工学専攻 物理工学教育分野
学籍番号19NC208
片山 優菜

2021 年 1 月 25 日

概要
T2K 実験は茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設 J-PARC からのミューニュートリノビーム
を 295 km 離れた岐阜県飛騨市に位置するスーパーカミオカンデで観測する長基線ニュートリノ振動実験である。T2K 実験ではニュートリノ生成標的の 280 m 後方に設置されている前置検出器によってニュートリノの反応断面積の解析が進められている。しかしこの前置検出器は荷電粒子を検出できる方向が限られているため、T2K 実験による粒子と反粒子の対称性の破れの探索において大きな系統誤差が生じている。そこで J-PARC E69 実験では水標的とニュートリノの反応を 4π 方
向のアクセプタンスで測定できる新型ニュートリノ検出器 WAGASCI を開発した。

WAGASCI 検出器 2 台、Wall MRD2 台、Proton Module1 台、Baby MIND1 台のフルセット
アップで 2019 年 11 月から 2020 年 2 月にかけてニュートリノビーム測定が行われた。本研究ではフルセットアップでのニュートリノビーム測定のデータから、光漏れやケーブルの断線等の問題がなくデータ取得が行われたか確認した。
また、従来使用されていた読み出し基板 Interface は外側に実装した追加基盤の影響で安定したデータ取得ができない問題が生じていた。そこで、追加基板を内部回路に埋め込んだ新しいデザイ
ンの Interface を開発した。本研究では新型 Interface の性能試験を行い、次回のニュートリノビー
ム測定で使用できことを確認した。

1

目次
第 1 章 ニュートリノ

1.1
1.2

3

ニュートリノとは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ニュートリノ振動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3
3

1.3

ニュートリノ振動の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.4

ニュートリノ振動測定の課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.5

ニュートリノ反応 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

第 2 章 T2K 実験

2.1

概要と目的

9
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92.2

ニュートリノビームライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.3

oﬀ-axis 法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.4

前置検出器

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

12

2.4.1

INGRID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4.2

ND280 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

後置検出器:スーパーカミオカンデ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.5

第 3 章 J-PARC E69 実験（WAGASCI プロジェクト）

16

3.1

目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.2

検出器の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.2.1

WAGASCI 検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.2.2

Wall MRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.2.3

Baby MIND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

3.2.4

Proton Module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

MPPC(Multi Pixel Photon Counter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3.1

動作原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.3.2

諸特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

フルセットアップでの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.3

3.4

第 4 章 エレクトロニクス

23

4.1

概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.2

SPIROC2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

2

第 5 章 読み出し基板の開発

28

5.1

目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5.2

新型 Interface の概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3

性能試験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28
31

5.3.1

手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

5.3.2

結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

5.4

検出器における新型 Interface の交換作業 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

5.5

プルアップ抵抗 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

第 6 章 最初のニュートリノビーム測定の結果

38

6.1

ニュートリノビーム測定の POT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

6.2

ZedBoard における課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

6.3

Wall MRD の fake hit 問題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

6.4

各検出器の hit 数解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

6.4.1

WAGASCI 検出器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

6.4.2

Wall MRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

第 7 章 結論463

第 1 章 ニュートリノ

1.1

ニュートリノとは

1930 年パウリは β 崩壊におけるエネルギースペクトルを説明するために、初めてニュートリノ
の存在を示唆した。ニュートリノは中性のレプトンであり、弱い相互作用と重力相互作用を行う。
また、３つの異なるフレーバーを持ち、それらは、電子ニュートリノ (νe )、ミューニュートリノ(νµ )、タウニュートリノ (ντ ) で各々のフレーバーに対応した反粒子が存在する。

1.2

ニュートリノ振動

素粒子物理学の標準理論よりニュートリノの質量は 0 であり、ニュートリノのフレーバーは変化しないと考えられてきた。しかし、1962 年ニュートリノ振動の発見によってニュートリノは有限の質量を持つことが示唆されるようになった。
ニュートリノは有限の質量を持ち、弱い相互作用の固有状態（フレーバー）|να ⟩(α = e, ν, τ ) と質量の固有状態 |νi ⟩(i = 1, 2, 3) は異なり、１つの弱い相互作用の固有状態は質量の固有状態の混合状態で表される。

|να ⟩ =∑αiUM
N S |νi ⟩

(1.1)

i

式 (1.1) の行列 UM N S は牧・中川・坂田行列と呼ばれ、以下のような式で表される 3 × 3 のユニタリー行列である [1]。

UM N S

=


1

0
0


=

0

0



c12

c23


s23  −s12

−s23

c23

0

s12
c13
0

c12 c13


0
c13

0  01−s13 eiδ

0s13 e−iδ

1

0

0

c13
s13 e−iδs12 c13−s12 c23 − c12 s23 s13 eiδ

c12 c23 − s12 s23 s13 eiδ
s23 c13 s12 s23 − c12 c23 s13 e−c12 s23 − s12 c23 s13 e

c23 c13

iδ

iδ

(1.2)

式 (1.2) において cij = cos θij 、sij = sin θij であり、θij は質量の固有状態 νi 、νj の混合角、δ
は複素位相を表しており、δ ̸= 0 のとき MNS 行列は CP 対称性が破れるので、δ は CP 位相とも呼ばれる。２つの質量固有状態 |ν1 ⟩、|ν2 ⟩ は自由粒子のハミルトニアン Ĥ の定常状態で4

Ĥ|ν1 ⟩ = i∂|ν1 ⟩ = E1 |ν1 ⟩∂tを満たす。エネルギー固有値 E1 は運動量 p とおくと E1 =

(1.3)
√

p2 + m21 である。したがって、質量固有状態の時間発展は|ν1 (t)⟩ = e−iE1 t(1.4)と表される。弱い相互作用の固有状態 |να ⟩、|νβ ⟩ は質量固有状態 |ν1 ⟩、|ν2 ⟩ を用いて 2 × 2 のユニタリー行列で表される。

(
)
|να ⟩
|νβ ⟩

(
=

cos θ

sin θ

− sin θ

cos θ

)(

|ν1 ⟩

)

|ν2 ⟩

(1.5)

t = 0 において運動量 p で生成された να について考える。
|ψ(t = 0)⟩ = |να ⟩ = cos θ|ν1 ⟩ + sin θ|ν2 ⟩(1.6)

式 (1.4) よりこの波動関数の時間発展は|ψ(x, t)⟩ = cos θ|ν1 ⟩e−iE1 t + sin θ|ν2 ⟩e−iE2 t(1.7)

である。相対論的に考えると、m1 , m2 ≪ p より、∆m221 = m22 − m21 とおくと、t = 0 で |να ⟩ が
飛行距離 L(= t) で |νβ ⟩ になる確率 P (να → νβ ) はP (να → νβ )|⟨να |ψ(x, t)⟩|2()∆m221 L2
2
= sin 2θ sin
4Eν()
1.27∆m221 [eV2 ]L[km]22= sin 2θ sin
Eν [GeV]=(1.8)となる。また、|να ⟩ が |να ⟩ になる確率 P (να → να ) も同様に、P (να → να )==1 − P (να → νβ ))(1.27∆m221 [eV2 ]L[km]22
1 − sin 2θ sin
Eν [GeV]

(1.9)

と求まる。

1.3

ニュートリノ振動の測定

1998 年スーパーカミオカンデにて大気から降り注ぐニュートリノを観測することによってニュー
トリノ 振動がはじめて実証された。これはニュートリノ 振動を仮定しない場合に比べ、νe に対5する νν の数が少ないという観測結果から実証された [2]。また、2010 年には原子核乾板を用いた

OPERA 実験において νµ → ντ の直接観測に成功したと発表された [3]。この他にも様々な方法を用いてニュートリノ 振動に関する実験が行われている。

1.4

ニュートリノ振動測定の課題

ニュートリノ振動の発見により、ニュートリノには質量があることが示唆されているが、その質
量起源はまだ解明されていない。MNS 行列の精密測定は質量起源を探るために重要である。今までの測定により MNS 行列は
0.54 0.15

0.53 0.71
0.65 0.69

0.82

|UM N S | ∼ 0.48
0.31(1.10)と求められている。また、クォークの混合行列である CKM 行列は、

0.97434+0.00011−0.00012

|VCKM | ∼ 0.22492 ± 0.00050

0.22506 ± 0.00050 0.00357 ± 0.00015



0.97351 ± 0.00013


0.0411 ± 0.00015 

0.040 ± 0.0013

0.99915 ± 0.00005

0.00875+0.00032−0.00033(1.11)

であり、この 2 つを比較すると MNS 行列の非対角成分は大きいことがわかる。これはニュート
リノの混合が大きいことに起因する。Tri-bimaximal モデルでは、θ13 = 0◦ 、θ23 = 45◦ と考えて

√

2/3
 √
UM N S = − 1/6
√
1/6

√

1/3

√
1/3
√
− 1/3


0
√ 
1/2
√
1/2

(1.12)となることが提唱されている。しかし、これまでの θ13 の測定結果では Tri-bimaxial モデルに反している。また、θ23 では 45◦ の最大混合を示すことが示唆されており、θ23 のより良い精密測定が課題となっている。

1.5

ニュートリノ反応

ニュートリノはその存在を直接観測することはできないため、実験の際にはニュートリノと核子・原子核の反応によって生じる粒子を観測する。
ニュートリノと核子・原子核反応には大きく分けて、電荷カレント反応 (Charged Current) と中性
カレント反応 (Neutral Current) の２種類の反応がある。荷電カレント反応ではニュートリノは同一タイプの荷電レプトンに転換し、実験においては荷電レプトンを検出する。中性カレント反応
ではニュートリノはニュートリノのまま残るが、それが反応したものにエネルギーと運動量を受け渡す。このため標的が反跳したり破砕したりするので、実験においてはこのエネルギー移行を検出する。
図 1.1 にニュートリノの反応断面積とエネルギーの関係を示す。

6

図 1.1: ニュートリノの反応断面積• 電荷カレント準弾性散乱 (Charged Current Quasi Elastic scattering)

図 1.2: CCQE 反応

CCQE 反応 (図 1.2) は数百 MeV の低エネルギー領域における主な反応である。後述の T2K実験では E=約 600 MeV のミューニュートリノビームが使用されており、もとのニュートリ
ノエネルギーを再構成することができる CCQE 反応を主に信号として用いている。生成された荷電レプトンの散乱角を θl 、エネルギーを El としてニュートリノのエネルギーを以下のように求めることができる。

7

Eν =

mN El − m2l /2mN − El + pl cos θl(1.13)

ここで、mN は核子の質量、ml 、pl はそれぞれレプトンの質量と運動量を表す。

• 単一パイオン生成反応 (Single pion production)

図 1.3: CC (Charged Current) 1π 反応

図 1.4: NC (Neutral Current) 1π 反応

CC1π 反応 (図 1.3) は、π 中間子を生成する反応であり、数 GeV 以下の領域で CCQE 反応の次に起こりやすい反応であり、低エネルギーのニュートリノ振動実験にも影響を与える。π粒子が検出器の性質や原子核内反応などによって検出できなかった場合、CCQE 反応と間違えられる可能性があり、CCQE 反応の主なバックグラウンドとなる。

NC1π 反応 (図 1.4) は、π 0 を生成する反応であり、π 0 が崩壊して発生する γ のうち片方が非対称崩壊などによって運動量が小さくなり検出されなかった場合や、2 つの γ のなす角が小さくて 1 つの γ と判別された場合には CCQE 反応と間違えられる可能性がある。

• 深非弾性散乱 (Deep Inelastic Scattering)

図 1.5: DIS 反応

8

DIS 反応 (図 1.5) は、〜数 GeV の高エネルギー領域における主な反応であり、ニュートリノ
が quark と散乱していると近似できる。

9

第 2 章 T2K 実験

2.1

概要と目的

図 2.1: T2K 実験

T2K(Tokai to Kamioka) 実験は 2009 年に開始した加速器型長基線ニュートリノ振動実験であり、茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)からのミューニュートリノビームを 295 km 離れた岐阜県飛騨市に位置するスーパーカミオカンデで観測する (図 2.1)[4]。検出器には後置検出器であるスーパーカミオカンデの他に、ミューニュー
トリノビームが生成された位置から 280 m のところに前置検出器群があり、双方を比較すること
によってニュートリノ振動を測定することを目的としている。

2.2

ニュートリノビームライン

J-PARC は図 2.2 に示すように、LINAC(LINear ACcelerator)、RCS(Rapid Cycling Synchrotoron)、MR(Main Ring) の 3 つの加速器から成る大強度陽子加速器施設である [5]。

• LINAC
LINAC は主に負水素イオンを生成するイオン源と高周波電場によりビームを加速する加速空洞から構成される。加速空洞には、加速されるに従って速くなるビームの速度に応じて最も効率的にビームを加速できる電場を生成するために 4 種の構造 (RFQ,DTL,SDTL,ACS) を持ったものが採用されている。これらの加速空洞を使用することで、250 m 程度の加速区間
で負水素イオンビームを 400 MeV まで加速し RCS へ送られる。

10

図 2.2: J-PARC の構造• 3GeV 陽子シンクロトロン RCS
上流の LINAC で 400 MeV に加速された負水素イオンビームは L3BT(Linac to 3GeV-RCS

Beam Transport line) と呼ばれるビーム輸送路を通って RCS に入射され、その際に電子 2個を剥ぎ取られ陽子に変換される。そして 3 GeV まで加速されたのち、下流の物質生命科学
実験施設とメインリングシンクロトロンに供給される。RCS は一周およそ 350 m の大きさで、陽子ビームは 1.63 µs で一周する。加速器を一周する際、高周波加速空洞を通過するたびに少しずつエネルギーを上げて、最終的に 3 GeV まで加速する。RCS では 25 Hz の周期でビームの加速と取り出しが行われている。また、1 MW という大強度のビームを出すことが、この RCS の最大の特徴と言える。

• メインリングシンクロトロン MR
MR は地下 10 m のトンネルに建設された 1 周 1567.5 m の円形加速器であり、全周に大小300 台を超える電磁石、高周波加速装置、ビームの出入射に用いられる特殊な電磁石、数百を超えるモニター観測機器で構成される。RCS から 40 ms ごとに 4 回に分けて入射蓄積される 3 GeV の陽子ビームを約 1.5 秒で 30 GeV まで加速し、2.48 秒の周期でニュートリノ実験施設へ、もしくは 5.20 秒の周期でハドロン実験施設へ出射する。この陽子ビームはパルス
あたりの陽子数にして 270 兆個という世界記録の大強度陽子ビームである。

• ニュートリノ実験施設
図 2.3 にニュートリノビームの生成過程を示す。MR から放出された陽子ビームは多くの常伝

11図 2.3: ニュートリノビームの生成

導電磁石や超伝導電磁石、ビームモニターを軌道上に配列した一次ビームラインを通って西向きに曲げられる。陽子ビームはターゲットステーション内のグラファイト標的に衝突することで生じるハドロン反応により、多数のハドロンが生成される。このうち正電荷を持つ π中間子を、電磁ホーンによって前方に収束させる。電磁ホーンはビーム射出に同期した数百

kA のパルス状の電流によって π + を収束させるよう設計された特殊な電磁石であり、π + は
長さ 100 m のトンネル (ディケイボリュームと呼ばれる) を飛行中に以下のように崩壊する。

π + → µ+ + νµ(2.1)

π − → µ− + ν µ(2.2)

電磁ホーンの極性を変化させることにより収束させる π 中間子の電荷を選択することで、ミューニュートリノからなるビームと反ミューニュートリノからなるビームを選ぶことができるため、ニュートリノの粒子と反粒子の対称性 (CP 対称性) の破れを測定できる。生成されたニュートリノ以外の粒子 (陽子や π 中間子など) は大型グラファイトブロックで作られたビームダンプで吸収されるため実験施設外に出ることはない。ビームダンプを通過したミューオンの空間分布をミューオンモニターによって観測することで、ニュートリノ の空間分布を間接的に観測する。標的から 280 m 下流にはニュートリノ前置検出器があり、さらに 295 km
離れた場所には後置検出器スーパーカミオカンデが位置している。これらの測定結果を比較することで、ニュートリノ振動を測定できる。

2.3

oﬀ-axis 法
T2K 実験は oﬀ-axis 法を世界で初めて採用したニュートリノ実験である。oﬀ-axis 法とは、検出器をニュートリノビーム軸 (π 中間子の収束軸) からずらして置くことで、幅の狭いエネルギー
分布のニュートリノビームを得る方法である。

T2K 実験で使用されるニュートリノビームは、0◦ (on-axis) の方向においては図 2.4 より 2 GeV
周辺にピークを持った広いエネルギー分布となる。このエネルギー領域におけるニュートリノ振動
確率は低く、νe が現れるバックグラウンドとなる π 0 を生じる NC1π 0 反応や νµ が消失するバックグラウンドとなる π 中間子を生じる CC1π 反応の反応断面積が大きい。そのため T2K 実験では、
ニュートリノ振動確率が最大となる 0.7 GeV にピークを持つエネルギー分布のニュートリノビー12ムを生成するために、スーパーカミオカンデから 2.5◦ ずれた軸上に π 中間子を収束させる。ビー
ムの方向は後述の前置検出器 INGRID にて常に高精度で監視している。

図 2.4: oﬀ-axis 角とニュートリノエネルギー・振動確率の関係

2.4

前置検出器

前置検出器は、グラファイト標的から 280 m 下流の地点に位置しており、ビーム軸上に置かれている INGRID(on-axis 検出器) と、π 中間子の平均崩壊点とスーパーカミオカンデを結ぶ直線上に置かれている ND280(oﬀ-axis 検出器) から構成されている (図 2.5、図 2.6)。

2.4.1

INGRID

on-axis 検出器 INGRID は、ニュートリノビーム軸上に設置されており、ビームの方向と強度を監視するのに使用されている [6]。計 16 個のモジュールから成り、図 2.7 のように十字に配置されている。また、各モジュールは図 2.8 のように 9 層の鉄の層と 11 層のシンチレータの層がサンドイッチ構造になっている。鉄の層にてニュートリノが鉄と反応することによって生成された荷電粒子をシンチレータで検出する。

13

図 2.5: INGRID の写真

図 2.6: ND280 の写真

図 2.7: INGRID の概観

図 2.8: INGRID モジュール

14

2.4.2

ND280

oﬀ-axis 検出器 ND280 はスーパーカミオカンデの方向に設置されており、ニュートリノ振動が起こる前のニュートリノビームのフラックス、エネルギースペクトル、反応断面積を測定するのに使用されている。検出器全体がマグネットで覆われており、P0D、TPC、FGD、ECAL、SMRD の5 つの検出器で構成される。
• UA1 Magnet
荷電粒子の飛跡を曲げるために検出器全体に 0.2 T の磁場を印加している大型常伝導ダイポー
ル電磁石。かつて CERN の UA1 実験で使用されていたものが寄贈された。

• P0D(π 0 Detector)[7]
最上流に設置されており、π 0 生成ニュートリノ反応の測定を行う。鉛薄膜、シンチレータ、
水ターゲットのサンドイッチ構造になっている。

• FGD(Fine Grained Detector)[8]断面が約 1 cm 四方の細かく分けられたシンチレータから成る検出器であり、ニュートリノ
標的となることで反応点付近の粒子を検出する。2 台のモジュールから構成され、後方のモジュールはシンチレータと水標的のサンドイッチ構造となっており、水のニュートリノ反応
断面積を測定できる。

• TPC(Time Project Chamber)[9]ニュートリノ反応によって生成された荷電粒子の飛跡の曲がり具合とエネルギー損失から粒子の識別および運動量の測定を行う。計 3 台のモジュールから成り、2 台の FGD の前後とその間に設置されている。

• ECAL(Electromagnetic CALorimeter)[10]
マグネット内側の最外層に位置し、鉛とシンチレータのサンドイッチ構造になっている。ニュートリノ反応によって生成された電子や γ 粒子の電磁シャワーを捕らえ、そのエネルギーを測定している。

• SMRD(Side Muon Range Detector)[11]
マグネットの隙間に設置されたシンチレータから成る検出器。大角度で散乱されて TPC に入射しなかった荷電粒子の飛跡を測定し、エネルギーを再構成する。

2.5

後置検出器:スーパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデとは、水チェレンコフ検出器であり、J-PARC から 295 km 離れた岐阜県飛騨市の神岡鉱山内に位置する。その概略図が図 2.9 である。宇宙線由来のバックグラウンドを減らすために地下 1000 m に建設された。検出器は 5 万トンの純水で満たされた二層式の水タンクと、その内部に取り付けられた 20 インチ光電子増倍管、タンク外側に設置された 8 インチ光電子増倍管から構成される。

15

図 2.9: スーパーカミオカンデの概略図

スーパーカミオカンデでは、水とのニュートリノ反応によって生じた荷電粒子が水中を飛行する際に発するチェレンコフ光を光電子増倍管が感知することでニュートリノを観測している [12]。水タンク内側の光電子増倍管でチェレンコフ光を観測するとリング状に見え、その形状から粒子の種類を決定する。ミューニュートリノとの反応で生成されるミューオン由来のチェレンコフ光は輪郭が明瞭なリングになるのに対し、電子ニュートリノとの反応によって生じる電子由来のチェレンコ
フ光は電磁シャワーの影響により輪郭がぼやけたリングになる。ここで π 0 が生成された場合、通常輪郭がぼやけた二つのリングが観測されるが、リングが一つしか見られない場合が存在する。この時、電子ニュートリノイベントとの区別が困難であるため、π 0 を生成するニュートリノ反応はバックグラウンドとなる。

16

第 3 章 J-PARC E69 実験（WAGASCI プ
ロジェクト）
3.1

目的

T2K 実験では、ニュートリノ生成標的の 280 m 後方に設置されている前置検出器 ND280 によってプラスチック (CH) 標的および水標的とニュートリノの反応断面積の解析が進められている。しかし、ND280 はニュートリノ反応で生成された荷電粒子を検出できる方向が構造上により前方方向に限られている。そのため phase space に測定できない方向が存在し、その部分については外部
データ (MiniBooNE など) に依存しており、4π 方向で測定を行う後置検出器スーパーカミオカン
デにおいて大きな系統誤差が生じている。そこで J-PARC E69 実験では水標的とニュートリノの反応を 4π 方向のアクセプタンスで測定できる新型ニュートリノ検出器 WAGASCI を開発した。

3.2

検出器の概要図 3.1: 検出器群の全体図

図 3.1 に検出器の全体図を示す。これらの WAGASCI 検出器群は ND280 が設置されている前置検出器ホール地下 2 階の oﬀ-axis 角 1.5◦ の位置に設置される。中央に設置された WAGASCI 検出17

器は 2 台あり、水で満たされている。また、2 台の WAGASCI 検出器の間には CH 標的検出器のProton Module が設置されている。さらに、WAGASCI 検出器の両側面には 2 台のミューオン飛程
検出器 (Wall MRD) が設置され、下流側には磁場を印加したミューオン飛程検出器 (Baby MIND)
が 1 台設置されている。

3.2.1

WAGASCI 検出器

図 3.2: WAGASCI モジュールの内部構造

WAGASCI 検出器 1 台の大きさはビーム軸に対して垂直方向に縦横 1 m、平行な方向に 0.5 mである。1280 枚のプラスチックシンチレータとその間を満たす 0.6 トンの水標的で構成されている[13]。図 3.2 のようにプラスチックシンチレータは格子状に組まれ三次元的な格子構造を実現している。プラスチックシンチレータは、縦方向、グリッド構造、横方向、グリッド構造という順に配置され、グリッド構造内のプラスチックシンチレータは縦横 5 cm 間隔で並んでおり、その中に水を入れるため、5 cm × 5 cm × 2.5 cm の水のセルが並んだ構造となっている。プラスチックシンチ
レータの三次元格子構造により、4π 方向のアクセプタンスで荷電粒子を検出できる。WAGASCI
検出器では 32 チャンネル Array 型半導体型光検出器 (MPPC) を用いてシンチレーション光を観測している。MPPC の詳細については本章第 3 節で述べる。

3.2.2

Wall MRD

Wall MRD の大きさは図 3.3 に示す通りであり、11 の鉄の層と 10 のシンチレータの層が交互に並んだサンドイッチ構造である。1 台あたりの総重量は約 8 トンで、鉄板の大きさは高さ 1.8 m、長さ 1.6 m、厚さ 3 cm、プラスチックシンチレータの大きさは 1 枚あたり高さ 1.8 m、長さ 0.2 m、厚さ 7 mm である。また、シンチレータ層は 8 枚のプラスチックシンチレータで構成される。このシンチレータは薄さに対して幅が広い設計になっているため、直径 1.0 mm の波長変換ファイバーを波状に埋め込んで用いる。そのため波長変換ファイバーが長くなることから、MPPC(浜松ホト18

ニクス・S13081-050CS) を用いて両側読み出しを行う。MPPC の詳細については本章第 3 節で述べる。

Wall MRD の設置によって、大角度に散乱する荷電粒子 (特にミューオン) を観測できるようになる。さらに、WAGASCI モジュールと Wall MRD の間に 50 cm 程度の間隔を設けることによって、ヒットタイミングの時間差から荷電粒子の運動方向を求め、バックグラウンドとなるイベントを取り除くことも可能である。

図 3.3: Wall MRD の概観

3.2.3

Baby MIND

Baby MIND(Magnetized Iron Neutrino Detector) とは、WAGASCI 検出器の下流に位置する
MRD である (図 3.4)[14]。この MRD は 33 枚の鉄モジュールと 18 枚の飛程検出モジュールで構成される。鉄モジュールは鉄板と電磁コイルで構成されており、大きさは 3500 × 2000 × 50 mm3で重さは 1900 kg である。また飛程検出モジュールは 95 枚の水平シンチレータと 16 枚の垂直シンチレータで構成されており、大きさは 2880 × 31 × 7.5 mm3 である。150 A の電流に対して 1.5 Tの磁場を形成でき、磁場を印加することによってニュートリノ反応によって生成される荷電粒子 µの電荷 (µ− か µ+ ) を判別することが可能である。

19

図 3.4: Baby MIND の側面図 (グレーの部分がシンチレータ、青・赤の部分が磁化鉄)

図 3.5: Proton Module の構造

20

3.2.4

Proton Module

Proton Module は本プロジェクトにおいて、2 台の WAGASCI 検出器の間に設置され CH 標的検出器として使用される。図 3.5 のように 36 の tracking plane でえ囲まれた veto plane で構成されており、各 tracking plane は 2 種類のシンチレータバーで構成される [15]。内側領域の 16 本は25 mm × 13 mm × 1200 mm の SciBar タイプと呼ばれるシンチレータであるのに対し、外側領域の 16 本は 50 mm × 10 mm × 1200 mm の INGRID タイプと呼ばれるシンチレータである。

3.3

MPPC(Multi Pixel Photon Counter)

MPPC は浜松ホトニクス製の PPD(Pixelated Photon Detector) で、ガイガーモード APD(Avalanche
Photo Dyode) をマルチピクセル化し、各ピクセルの信号の和を並列に読み出すタイプの半導体光検出器である [16]。小さい本体、光電子増倍管に並ぶゲインと光検出率、磁場に対する耐性、高いコストパフォーマンス、70 V 程度の電圧で動作することなど多くの長所があり、手軽に使用できる。

図 3.6: Single 型 MPPC

図 3.7: Array 型 MPPC

図 3.6 は Single 型 MPPC で、図 3.7 は WAGASCI 検出器で使用される Array 型 MPPC である。

Array 型は 32 チャンネルの MPPC が 1 つの基板上にのっている。

3.3.1

動作原理

MPPC は 1 ∼ 3 mm 四方のシリコンチップが搭載された多数の APD ピクセルで構成されている。ピクセル内の p-n 接合面にブレイクダウン電圧 Vbd より 1 ∼ 4 V 程度高い逆電圧を印加すると、光量の大小にかかわらず素子固有の飽和出力が発生する (ガイガー放電)。この電圧で APD を動作させる状態をガイガーモードと呼ぶ。ガイガーモードの MPPC ピクセルに光子が入射すると、入射光子によって弾き出された光電子が増幅領域内で電子雪崩を起こす (図 3.8)。その後、このピクセルには電流が流れ、直列に接続された数百 kΩ 程度のクエンチング抵抗によって電圧降下が起
こり、雪崩は終息する。

21

図 3.8: アバランシェ増倍の仕組み

このとき、1 つのピクセルからの出力電荷 Qpix は Cpix を 1 つのピクセルのキャパシタンス、Vを印加電圧、Vbd をブレイクダウン電圧とすると、Qpix = Cpix (V − Vbd )(3.1)と表される。全ピクセルの出力電荷の和が出力信号となるため、Cpix および印加電圧が一様であれば MPPC の出力電荷 Q は、

Q=

N
∑

Qi = N Qpix

(3.2)

i

となり、電子雪崩を起こしたピクセルの数 N に比例した電荷が得られる。

3.3.2

諸特性

• ゲイン・ブレイクダウン電圧
電圧降下により印加電圧がブレイクダウン電圧 Vbd 以下になったとき電子雪崩が終了するた
め、MPPC のゲインは印加電圧とブレイクダウン電圧の差に比例する。また、ブレイクダウ
ン電圧は温度に線形に依存することがわかっており、室温から液体窒素温度までの温度係数は約 50 mV/K であることが確認されている。

• ダークノイズMPPC では光によって生成されたキャリア以外の要因によってパルスが発生することがあり、これをダークノイズと呼ぶ。ダークノイズの主な原因は熱励起による電子が電子雪崩を起こすことであると考えられ、検出誤差へとつながる。ノイズの大きさは 1 光電子相当 (=1p.e.) がほとんどであるが後述のピクセル間クロストークやアフターパルスの影響で 2 p.e. 以
上現れる場合もある。WAGASCI に用いられる MPPC では、ノイズ源となる不純物による中間準位や局所的に高電圧の領域の存在を取り除いた結果、非常に低い Noise rate を達成し
ている。

22

• ピクセル間クロストーク
あるピクセルで電子雪崩が発生した際、その雪崩中で赤外波長の光子が発生し、周囲のピクセルに伝搬することで別の雪崩を引き起こしてしまうことがある。このような現象をピクセ
ル間クロストークと呼ぶ。これが起きると、MPPC の出力が実際に検出されるべき光電子数よりも大きくなってしまう。クロストークが生じる確率は印加電圧 V とブレイクダウン電圧

Vbd の差に比例することがわかっており、典型的なクロストークの確率は 0.1 ∼ 0.2 程度であると考えられている。

• アフターパルス
MPPC の増幅領域内には結晶の格子欠陥が存在し、アバランシェ増倍の過程でこの格子欠陥に雪崩電子が捕獲され、一定時間後に再放出されることにより再びアバランシェ増倍を起こすことがある。このような現象はアフターパルスと呼ばれる。入射フォトンによるパルスとアフターパルスはその形状からは区別できない。

3.4

フルセットアップでの測定

2018 年 12 月から Wall MRD、WAGASCI 検出器、Baby MIND が J-PARC の T2K 実験前置
ニュートリノホール地下 2 階にインストールされた。インストール完了後、J-PARC E69 実験として 2019 年 11 月から 2020 年 2 月の期間ではじめてフルセットアップでのニュートリノビーム測定を行った。この測定結果については本論文第 5 章で述べる。

23

第 4 章 エレクトロニクス

4.1

概要

WAGASCI 検出器で用いられているデータ収集システム (DAQ) はフランス l’Ecole polytechniqueの Laboratoire Leprince Ringuet(LLR) で設計され、日本で制作したものである。図 4.1 にエレク
トロニクスのセットアップを模式的に示した。

図 4.1: エレクトロニクスの概要• ASU(Active Sensor Unit)

図 4.2: ASU の写真

24

ASU は後述の SPIROC2D という ASIC(Application Specific Integrated Circuit) が 1 枚搭載されたボードであり、その写真を図 4.2 に示した。ASU の主な役割は MPPC のアナログ信号
をデジタルデータに変換し、そのデータを DIF 側へ送ることである。また、Interface に入力されたバイアス電圧を MPPC に送るという役割も担っている。Interface と ASU の接続には 50

pin、22 cm のフラットケーブル (Samtec 社・FFTP-25-D-08.77-01-N) を使用する。また、ASU同士の接続には 50 pin、10 cm のフラットケーブル (Samtec 社・FFTP-25-D-03.85-01-N)2本が必要となる。また、終端の ASU にのみジャンパーピンを取り付ける。

• Interface

図 4.3: Interface の写真

Interface は、ASU と DIF の信号のやりとりを司る役割を担う。図 4.3 がその写真である。
DIF とは 90 pin のコネクタを用いて接続され、ASU との接続には前述のフラットケーブルを用いる。また、High Voltage、Low Voltage とも接続できるようになっており、MPPC への電力供給や DIF 上の FPGA チップ、ASU 上の SPIROC2D への電力供給も行う。接続する ASU の列数に応じてジャンパーピンを取り付ける必要がある。

• DIF(Detector InterFace)

図 4.4: DIF の写真

25

DIF は ASIC である SPIROC2D を制御するための FPGA チップが 1 枚搭載されたボードであり、SPIROC2D でデジタル変換されたデータを後述する GDCC/PC 側へ送ったり、PCで設定した閾値等の情報を SPIROC2D へ伝えたりといったデジタルデータのやりとりを担う。図 4.4 がその写真である。GDCC とは HDMI ケーブルで接続される。

• GDCC(Giga Data Concentrator Card)

図 4.5: GDCC の写真

GDCC は FPGA チップが 1 枚搭載されたボードであり、図 4.5 がその写真である。DIF-PC間のデータのやりとりを担う。PC とはイーサネットケーブルで接続される。

• CCC(Clock and Control Card)
GDCC ボードのファームウェアを書き換えることでスピルトリガーの制御を行う。GDCCとは HDMI ケーブルで接続される。

• Single MPPC Card

図 4.6: Single MPPC Card の写真 (上部の基板)

Single MPPC Card(図 4.6) はシングルタイプの MPPC と ASU 間の接続を担う基板であり、1 枚につき最大 32ch の MPPC が接続可能である。Wall MRD に使用する ASU に取り付け
られる。

26

• DAQ PC
データ収集用のパソコンであり、OS は CentOS(バージョン 7.4.1708 64bit 版) を用いている。
また、フランス LLR で開発された Calicoes を読み出しソフトウェアとして用いる。Calicoesの動作には Pyrame と呼ばれるソフトウェアフレームワークが必要となる。

• Power Supply

図 4.7: Power Supply

CCC、GDCC、DIF、SPIROC2D に対する電圧源には図 4.7 に示した Power Supply(TDK
Lambda 社・ZUP Series) を Low Voltage として使用し、MPPC に対する電圧源には同様のPower Supply を High Voltage として使用した。
以上がデータ収集システムに必要なエレクトロニクスであり、図 4.8 に各検出器と DAQ PC 間のエレクトロニクスの概略を示す。

図 4.8: 各検出器と DAQ PC 間のエレクトロニクスの概略図

27

4.2

SPIROC2D

図 4.9: SPIROC2D

図 4.9 は ASU に搭載されている信号読み出し専用チップ (ASIC)、SPIROC2D である [17]。

SPIROC(Silicon Photomultiplier Integrated Read Out Chip) は SiPM の信号を読み出すためにフランスの OMEGA 社によって開発された。SPIROC は様々な発展を遂げ、最新版が ASU に搭載されている SPIROC2D である。
主な役割はアナログ情報をデジタル化し、DAQ PC に転送することである。そのほかにも各チャンネルごとの MPPC にかかるバイアス電圧の微調整や、信号の増幅率の変更、閾値を超えた信号をヒットとして認識するディスクリミネータの役割も果たす。

• 10-bit discriminator trigger threshold DAC
trigger threshold はある閾値を超えた信号をヒットとして認識するディスクリミネータの役割を持つ。threshold の電位の値は 260 mV から 2.5 V までの間を 1024 段階で変更できる。

• 6-bit Pre-Amplifier DAC
SPIROC2D にはゲインの異なる 2 つのプリアンプが各チャンネルで用意されている。信号が小さい場合は High Gain、信号が小さい場合は Low Gain に自動的に切り替わるように設定されている。つまり、ある閾値以上の信号が入ると自動的に Low Gain に切り替わる。ただし、全ての閾値以上の信号が Low Gain に切り替わるわけではなく、一部の信号は High

Gain のままである。閾値以上の信号のうち、Low Gain に切り替わった信号の割合は Gain
Select eﬃciency と呼ばれ、threshold によってこの値も変わるが、2.5 p.e. の時には 95 ％程度になる。

• 8-bit Input DAC
MPPC のアノード側の電位を各チャンネルごとに 0 ∼ +2.5 V の範囲で上げることができ、バイアス電圧はその分だけ減少する。使用する MPPC のオペレーションボルテージをチャンネルごとに変更するために使用する。

28

第 5 章 読み出し基板の開発

5.1

目的

初期の Interface(図 5.1) を用いた性能試験では、接続する ASU の枚数を増やすと Configura-tion(ASIC を初期化するプロセス) が行えないという問題点があった [18]。これは Slow Clock 信号の回路が直列であると接続する ASU の枚数が増えた際に電圧降下が発生し、うまく信号を伝えられないため生じた。この問題を解決するために図 5.2 のように Interface に追加基板を実装した。
この追加基板により、Slow Clock 信号の回路が並列になり、ASU の枚数を増やしても適切に信号が伝わるように改善された。しかし、基板の外側に追加基盤を実装したことで露出したケーブルが外力の影響を受けるという新たな問題が生じた。ケーブルが外力を受けることで、Configuration
が不安定になったり、データが入らない ASU が出現したりしたことから、ケーブルが外力を受けないよう Interface 内部の回路に埋め込む新しいデザインが必要となった。

図 5.2: 追加基板を実装した Interface

図 5.1: 初期の Interface

5.2

新型 Interface の概要

図 5.3 は新型 Interface の写真である。そして図 5.4 に従来の Interface の設計図を、図 5.5 に新型 Interface の設計図を示した。図中の赤丸部分に注目すると、従来の Interface では追加基盤が実装されていた部分が新型 Interface では内部回路に埋め込まれた設計になっていることがわかる。
また、図 5.5 中の青丸は後述のプルアップ抵抗の位置を示す。

29

図 5.3: 新型 Interface の写真

図 5.4: 従来の Interface の設計図 (左:表側、右:裏側)30

図 5.5: 新型 Interface の設計図 (左:表側、右:裏側)

31

5.3

性能試験

ここでは、WAGASCI 検出器に新型 Interface をインストールする前に横浜国立大学にて行った性能試験について述べる。

5.3.1

手順

試験の手順は以下の通りである。

(1) 機器のセットアップ
測定したい Interface と ASU にジャンパーピンが正しく装着されていることを確認してフラット
ケーブルでつなぐ。ASU はブラックシートで隙間ができないように覆い遮光する。また、今回の試験では ASU を 1 枚接続して MPPC のダークノイズを測定した。その際 ASU には 32 チャンネ
ル Array 型 MPPC を取り付けた。

(2) 閾値等の設定の変更を PC で行う。
閾値は 0.5 p.e. 相当に設定した。

(3)Pyrame の起動
PC で Pyrame を起動することにより Calicoes を使用できるようになる。
(4)Low Voltage の電源を入れる。
まず CCC/GDCC 側の電源を入れ、電流が安定したら (1.8 A を超えたら)Interface の電源を入れる。この時 Interface 側の電流が 0.50 A 前後になることを確認する。

(5)configure
測定に使用する ASU の枚数、閾値などの設定が反映される。PC からコマンドを入力することで行った。

(6)High Voltage の電源を入れる。
MPPC の劣化を防ぐため、規定の電圧値まで徐々に上げていく。今回の測定では電圧は 56.7 V に統一した。

(7)Spill を入れる
データ取得時間とデータ読み出し時間のタイミングを調整するためのスピルと呼ばれる矩形波の信号を用いる。PC からコマンドを入力することで Spill を出した。

(8) 測定PC にコマンドを入力することで測定を開始/終了することができる。なお測定時間は約 3 分間とした。測定終了後は、HV、Interface 側の LV、CCC/GDCC 側の LV というように測定開始時と逆の順序で止める。

(9)Decode
測定終了後 raw ファイルと呼ばれるデータが PC 内に作成される。そのままでは解析ができないた
め、Decode と呼ばれる作業を行い raw ファイルを解析可能な ROOT ファイルに変換する。このファイルは CERN が開発したソフトウェア ROOT を用いて解析できる。

32

試験は Interface 以外のセットアップを変更せず、Interface のみを順次付け替えていき、計 8 枚の Interface にて MPPC のダークノイズを測定することで行った。

5.3.2

結果

図 5.6: 全チャンネルの ADC 分布

図 5.6 はある Interface で MPPC のダークノイズを測定した際の全チャンネルの ADC 分布である。Charge が 530 ADC count と 600 ADC count 付近にピークが見られる。これらはペデスタルと呼ばれる 0 光子相当 (p.e.=photoelectron または photoelectron equivalent という) と MPPC が1 光子を検出した時の 1 p.e. の信号を表し、それぞれのピークはガウス分布を成す。
8 枚全ての新型 Interface に関して図 5.6 と同じような ADC 分布を示したことから、故障や異常等の問題なくデータが取れることが確認できた。

5.4

検出器における新型 Interface の交換作業

図 5.7 に WAGASCI 検出器への新型 Interface の交換作業の様子を示す。新型 Interface の交換
作業は上流 WAGASCI Side View を最初に行い、動作試験を行った。その後、データが問題なく取得できることを確認してから他の検出器の交換作業を行った。
動作試験は上流 WAGASCI Side View の 20 枚の ASU と新型 Interface を用いて MPPC のダー
クノイズを測定することで行った。その結果、取得したデータが壊れており解析できなかった。その後、10 枚の ASU を用いて MPPC のダークノイズを測定した結果、図 5.8 と図 5.9 の ADC 分布が得られた。図 5.8 は横軸が ASU の番号、縦軸がその ASU での ADC count、z 軸が ADC countのイベント数を表しておりイベント数の大きさによって色分けされている。この結果より、接続する ASU の数が 10 枚の時は全 ASU で正しくデータを測定できることがわかった。

33

図 5.7: 上流 WAGASCI Side View にマウントした新型 Interface の写真

図 5.8: 上流 WAGASCI Side View における ASU10 枚 (5 枚× 2 列) 接続時の ADC 分布34図 5.9: 上流 WAGASCI Side View における ASU10 枚 (5 枚× 2 列) 接続時のあるチャンネルのADC 分布

このように接続する ASU の枚数を増やした際、データの入らない ASU が存在する原因として後述のプルアップ抵抗の値が高すぎる可能性を考えた。新型 Interface には 1 枚あたり計 12 個の1k Ω抵抗がプルアップ抵抗として装着されている (図 5.5 中の青丸部分)。このプルアップ抵抗の抵抗値が高すぎるため、接続する ASU の枚数が増えた際、全 ASU に適切な信号を送ることができなかったことが原因であると考えた。そこで、12 個のプルアップ抵抗を 100 Ω抵抗に付け替えた。
プルアップ抵抗付け替え後に 20 枚の ASU を接続して測定した結果を図 5.10 と図 5.11 に示す。この結果から、プルアップ抵抗の抵抗値を 100 Ωに変更したところ、全 ASU で正しくデータを取得できた。ゆえに、プルアップ抵抗を 100 Ωに交換後の新型 Interface はニュートリノビーム測定に使用できるようになった。

35

図 5.10: 新型 Interface のプルアップ抵抗変更後、ASU20 枚接続時の各 ASU の ADC 分布

図 5.11: ASU20 枚接続時のあるチャンネルの ADC 分布

36

5.5

プルアップ抵抗

デジタル回路における信号としての電圧は、High または Low の電圧が印加されている必要があり、High と Low の中間電圧の状態では誤作動を生じる場合がある。また、図 5.12 のように回路の入力端子がどこにも接続されていない「浮いている」状態があると、周囲の静電気や電磁誘導による浮遊電位により高電圧が発生し、故障の原因となる。その対策として用いられるのがプルアッ
プ抵抗である [19]。

図 5.12: 「浮いている」状態のある回路 (スイッチを oﬀ にしている時、入力端子がどこにも接続されていない)図 5.13 のようにプルアップ抵抗を用いた回路のスイッチを oﬀ にした際、抵抗を介して VCC とCPU が繋がるため、IN ポートには VCC の電流が流れ込むことになる。つまりスイッチが oﬀ の場
合には High の電圧が印加されるのだ。また、回路が「浮いている」状態にもならない。

図 5.13: プルアップ抵抗が取り付けられた回路の例 (スイッチ oﬀ 時)

続いて図 5.14 のようにスイッチを on にした際、電流は CPU より抵抗値の低い側、つまりスイッ
チを経由して GND に流れるためこのラインは 0 V となる。したがってスイッチが on の場合には37

Low の電圧が印加される。

図 5.14: プルアップ抵抗が取り付けられた回路の例 (スイッチ on 時)

このプルアップ抵抗の抵抗値は大きすぎても小さすぎても問題を生じる。抵抗値が大きすぎる場
合に起こりうる問題は以下の通りである。

• 回路が「浮いている」状態に近づいてしまう• スイッチ oﬀ 時にも CPU に印加される電圧が High となる最低電圧以下になる
電磁誘導ノイズ等で回路電流が上下した際に CPU に印加される電圧が High となる最低電圧以下になる可能性があるため、余裕を持たせる必要がある。

•

回路に流れる電流が小さくなるため、スイッチに流れる電流が最低電流以下になる

また、抵抗値が小さすぎる際に生じる問題は以下の通りである。

•

回路がショートしてしまう•

スイッチ on 時の消費電流が大きくなる38

第 6 章 最初のニュートリノビーム測定の結果

6.1

ニュートリノビーム測定の POT

2019 年 11 月から 2020 年 2 月までニュートリノビームが照射された。図 6.1 は 2019 年 11 月
14 日から 2020 年 2 月 6 日のニュートリノビームにおける本実験の収集データの累積統計である。
ただし、2019 年 12 月 18 日から 2020 年 1 月 14 日までのビーム運転休止期間が存在する。累積
データには、J-PARC で生成された炭素標的に入射した陽子数 POT(Proton on target) が用いられる。WAGASCI 検出器におけるデータ収集効率を 100 ％と仮定した場合、本期間の POT は4.77 × 1020 POT となる。
図 6.1 中の赤い線は Delivered POT、黄色い線は上流 WAGASCI の POT、紺色の線は下流

WAGASCI の POT、緑色の線は北側 Wall MRD の POT、水色の線は南側 Wall MRD の POTを表す。WAGASCI において 12 月初旬ごろから threshold を下げすぎてしまい、ダークノイズがデータを占めて物理解析に使用できないデータとなったため、POT が増加していない。また、Wall

MRD においては後述の fake hit 問題の解決後 (1 月 14 日) から測定を開始したため、ビーム運転
休止期間以降から POT が増加している。

図 6.1: 2019 年 11 月 14 日から 2020 年 2 月 6 日までのニュートリノ ビームの POT(Proton on

target)。赤は Delivered POT、黄色は上流 WAGASCI の POT、紺は下流 WAGASCI の POT、緑は北側 Wall MRD の POT、水色は南側 Wall MRD の POT を表す。

39

6.2

ZedBoard における課題

J-PARC のニュートリノビームラインからは 2 つの信号が出ている。一つはビームトリガーと呼ばれるもので、2 個のパルスで構成されている。もう一つはスピルナンバーと呼ばれる信号である。
これは各ビームにおけるスピルの絶対値を表しており、ECL(Emitter Coupled Logic) の 16 ビットのデジタル信号である。

図 6.2: ビームトリガーとスピルナンバーの信号処理の概要

図 6.2 に示す通り、ビームスピルナンバーはニュートリノビームラインから光接続で受信された
のち、ビームトリガーラックで ECL に変換され、「WAGASCI DAQ ラック」へ送られ、「Philips

MODEL 726」NIM モジュールで TTL に変換され、「ZedBoard Zynq-7000 DB」に伝わり、イー
サネットに変換されて DAQ PC と GDCC に分配される。上記のビームスピルナンバーの伝達経路のうち ZedBoard に問題があり、ビームラインから送られるスピルナンバーと WAGASCI 実験が受信するスピルナンバーにずれが生じた。この ZedBoard の問題とはビットの凍結とビットの反転である。ビットの凍結とは 8 ビット目と 12 ビット目 (最下位の桁から数える) が 0 のまま凍結してしまい 1 に戻らない現象である。また、ビットの反転とはランダムなビットの数が 0 から 1 へ、

1 から 0 へと反転してしまう現象である。これらの問題から生じたスピルのずれを直すために以下の手順を踏んだ。

1. 不連続点を検出する。(8 ビット目と 12 ビット目のみ)
2. 線形化する。その際近似直線から大きく離れた点は無視せず、直線に近づける。(8 ビット目と 12 ビット目のみ)

3. バッドスピルを再解析する。この際前後に正常なスピルがあればそこから予測する。(8 ビット目と 12 ビット目のみ)

4. バッドスピルを再解析する。この際前後に正常なスピルがあればそこから予測する。(正常な全てのビット)

5. バッドスピルのみ不連続点を検出する。(正常な全てのビット)

40

6. スピルナンバーが単調増加していることを確認する。(正常な全てのビット)
7. スピルナンバーを 65535 から 32768 へリセットする。(正常な全てのビット)
この改良によって、図 6.3 のように WAGASCI で測定されたイベント数を横軸にとった際、単調増加しているスピルナンバーが得られた。図 6.3 中の赤い点は修正前のスピルナンバー、水色の点は修正後のスピルナンバー、紫の点はバッドスピルを表す。また、手順 7 でスピルナンバーを65535 から 32768 へリセットするのは、この領域がビットの反転の問題の影響を受けやすいためである。

図 6.3: ある期間における北側 Wall MRD Top Side のスピルナンバーの推移。赤い点は修正前のスピルナンバー、水色の点は修正後のスピルナンバー、紫の点はバッドスピルを表す。

6.3

Wall MRD の fake hit 問題

MPPC のゲインキャリブレーションを行う際、ASU の threshold を変化させながらダークノイ
ズ頻度の変化を調べる。しかし、Wall MRD の場合 threshold を変化させてもダークノイズ頻度がほとんど変化せずゲインキャリブレーションを行うことができなかった。通常、threshold 値を超える信号が検出された場合 SPIROC2D 内に”hit=1”と記録され、その他の値に関しては”hit=0”と記録される。しかし Wall MRD においては threshold 値の設定に関わらず”hit=1”となる信号が存在する。調査の結果、この fake hit の問題は Wall MRD に使用されている Single MPPC Card の

GND 接続に起因するノイズが原因であることがわかった。従来の Single MPPC Card は MPPCの PCB ボードと 1 本の同軸ケーブルで接続され、印加電圧の供給と MPPC からの信号の送信を一本の同軸ケーブルで行っていた。このため、信号にノイズがかかりやすい状況であった。この

fake hit 問題を解決するために開発した新型 Single MPPC Card が図 6.4 中の ASU の上に装着されている基板である。この新型 Single MPPC Card の改良点は以下の 2 点である。

41

• 全 32 チャンネルが GND に接続されている。
• 2 本の同軸ケーブルを用いて MPPC からの信号読み出しのラインと MPPC への電圧供給のラインを分けた。
なお、MPPC への電圧供給ラインには図 6.4 に示すように ASU の上に装着された HV distribution

board が使用される。また、MPPC と 2 本の同軸ケーブルを仲介するために新型 mini-PCB boardが用いられる。

図 6.4: 新型 Single MPPC Card と HV distribution board、新型 mini-PCB board の写真

新型 Single MPPC Card を用いることで threshold 値を超える信号のみ”hit=1”となり、fake hitが消えた。2020 年 1 月の加速器メンテナンス日にこの新型 Single MPPC Card を Wall MRD に導入した。その結果、Wall MRD でも物理データが取得できるようになった。

6.4

各検出器の hit 数解析

6.4.1

WAGASCI 検出器

図 6.5 と図 6.6 はそれぞれある共通の期間における上流 WAGASCI と下流 WAGASCI の hit 数分
布を示しており、縦軸は hit 数、横軸はチャンネル数を表す。なお、ASU の threshold と inputDAC
はゲインキャリブレーションを行ったのち各チャンネルごとに値が決められている。これらの hit
数分布より、大幅に突出した hit 数を持つチャンネルや hit 数が 0 のチャンネルは確認できなかった。このことから、WAGASCI 検出器に光漏れやケーブルの断線等ハードウェアに異常は見られ42

ないことが確認できた。しかし、大幅ではないもののチャンネルごとに hit 数のばらつきがある。
この結果から、MPPC のゲインキャリブレーションが不十分であることがわかった。ただし今回見つかった hit 数のばらつきの測定への影響は小さく、物理解析は問題なく行える。2021 年 2 月から予定されている次回のニュートリノビーム測定では、より精密にキャリブレーションを行い、hit 数のばらつきを小さくする。

図 6.5: 上流 WAGASCI の hit 数分布 (左図：Top View、右図：Side View)

図 6.6: 下流 WAGASCI の hit 数分布 (左図：Top View、右図：Side View)

6.4.2

Wall MRD

図 6.7 と図 6.8 はそれぞれある共通の期間における北側 Wall MRD と南側 Wall MRD の hit 数分布を示す。この期間中全チャンネルにて threshold は 130(2〜3 p.e. に相当)、inputDAC は 120に設定して測定を行った。これらの hit 数分布より大幅に突出した hit 数を持つチャンネルがいく
つかあることがわかる。hit 数が大きかったチャンネルのうち、ある 1 チャンネルの ADC 分布を
図 6.9 と図 6.10 に示す。図 6.9 は hit 値を指定せず、全ての検出信号を表示しており、図 6.10 は

hit=1 の信号のみを表示している。図 6.10 より、threshold 値を超えない分布が消え、threshold 値

43図 6.7: 北側 Wall MRD の hit 数分布 (左図：Top Side、右図：Bottom Side)

図 6.8: 南側 Wall MRD の hit 数分布 (左図：Top Side、右図：Bottom Side)44

を超える ADC count のイベントのみが残ることから、fake hit 問題が残っているのではなく光漏れ等による実際の光を観測していると考えられる。

図 6.9: hit 数の大きかった 1 チャンネルの ADC

図 6.10: hit 数の大きかった 1 チャンネルの ADC分布。hit 値を指定せず、全ての検出信号を表示。 分布。hit=1 に指定して表示。
続いて、hit 数が大きいチャンネルが検出器においてどこのシンチレータにあたるか示したもの
が図 6.11 から図 6.14 である。これらの図中の赤い部分は図 6.7、図 6.8 における hit 数 1000 以上のチャンネルの位置を表しており、橙色の部分は hit 数 700〜1000 のチャンネルの位置を示している。図 6.12 では hit 数の大きいチャンネルは右端に集中している。この結果から、hit 数が大きくなった原因は検出器本体と蓋との間からの光漏れであると考えられる。また、図 6.14 では hit 数の大きいチャンネルは真ん中に集中している。この結果から、hit 数が大きくなった原因は図 6.15の赤丸部分に示す Wall MRD の蓋に装着されているクーリングユニットからの光漏れであると考えられる。北側 Top Side(図 6.11) と南側 Top Side(図 6.13) では hit 数が大きいチャンネルの数がBottom Side と比べると少なく、チャンネルの位置もばらついている。そのため、これらの hit 数が高い原因は MPPC のゲインキャリブレーションが不十分であったことであると考えられる。今回見つかった hit 数のばらつきと光漏れによる hit 数の増加は測定への影響は小さく、物理解析は問題なく行える。次回のニュートリノビーム測定では、光漏れ対策を行い万全の状態でデータ収集を実現する。

45

図 6.11: 北側 Wall MRD Top Side の hit 数が大

図 6.12: 北側 Wall MRD Bottom Side の hit 数

きかったチャンネルのマップが大きかったチャンネルのマップ

図 6.13: 南側 Wall MRD Top Side の hit 数が大

図 6.14: 南側 Wall MRD Bottom Side の hit 数

きかったチャンネルのマップが大きかったチャンネルのマップ

図 6.15: Wall MRD の蓋の写真

46

第 7 章 結論
2021 年 2 月から予定されているニュートリノビーム測定においてより安定した測定を目指して
読み出し基盤の開発を行った。従来、外側に追加基板を実装した Interface が使用されていたが、露出したケーブルが外力を受けることで Configuration が不安定になったり、データが入らない ASUが出現したりといった問題があった。そのため、追加基板を内部回路に埋め込んだ新しいデザイ
ンの Interface を開発した。最初に横浜国立大学にて新型 Interface と ASU1 枚を接続して正常にデータが取得できることを確認した。その後、J-PARC にて 20 枚の ASU と接続し MPPC のダー
クノイズ測定を行った結果、得られたデータは破損しており解析不能であった。この原因は新型Interface に実装されているプルアップ抵抗の抵抗値が高すぎることであると考え、新型 Interface1枚につき 12 個実装されている 1 k Ωのプルアップ抵抗を 100 Ω抵抗に変更した。プルアップ抵抗
変更後、再度 20 枚の ASU を接続して MPPC のダークノイズを測定したところ正常なデータが得られた。2021 年 2 月から予定されているニュートリノビーム測定では、新型 Interface を用いて安定した測定を実現する。
また、2019 年 11 月から 2020 年 2 月に行われたニュートリノビーム測定で得られたデータから累積統計 POT、ZedBoard における問題とその改良、各検出器の hit 数の確認を行った。hit 数にはばらつきが見られ、WAGASCI 検出器では MPPC のゲインキャリブレーションが不十分である
ことがわかった。さらに Wall MRD では MPPC のゲインキャリブレーションが不十分であることに加えて光漏れがあることがわかった。ただし今回見つかった hit 数のばらつきの測定への影響は
小さく、物理解析は問題なく行える。 2021 年 2 月から予定されている次回のニュートリノビーム
測定では、より精密な検出器キャリブレーションと光漏れ対策を行うことで hit 数のばらつきを小
さくする。

47

謝辞
本研究を通じて多くの方に出会い、自身の成長につながりました。修士論文の執筆にあたり、ご協力及びご指導をしてくださり誠にありがとうございます。
指導教員の南野彰宏准教授には授業等でお忙しい中、きめ細やかなご指導を賜りました。研究室で過ごした 3 年間、度々ご迷惑をおかけしましたが温かく見守り、たくさんの経験をさせていただ
きました。南野彰宏准教授がいなければ、このように修士論文をまとめることはできませんでした。深く感謝申し上げます。
本研究室の Giorgio 先輩、淺田先輩、岡本先輩は常に優しく接してくださり、皆様からたくさんのことを学びました。また、本実験の共同研究者である東京大学の松下先輩、江口さん、京都大学の安留先輩、大阪市立大学の小幡さん、本條さんらとは議論を重ねながら研究作業を共に行いました。皆様にはたくさんのご助言をいただいただけでなく、気さくに話しかけてくださったことで慣れない東海村での生活が楽しく感じられました。
湘南電子機器有限会社の方々には、度重なる基板の制作・修理を快く引き受けていただきました。担当していただいた玉ノ木様には何度も電話で相談に乗っていただいたり、大学へ足を運んでいただいたりと大変お世話になりました。
そして、本研究室の皆様や他大学の同期の皆様のおかげで濃密で充実した学生生活を送ることができました。
最後に、私の選択を応援し、悩んだときには相談に乗り、常に温かく見守って下さった杉山先生と友人の皆様に厚く御礼申し上げます。

48

参考文献

[1] Mark Thomson (2013) Modern Particle Physics, United Kingdom : Cambridge University
Press.
[2] Y. Fukuda et al.(Super-Kamiokande Collaboration), Evidence for oscillation of atmospheric
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CNGS Neutrino Beam with the OPERA Experiment.

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Nucl. Instrum. Meth. A 696(2012): 1-31.
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anti-neutrino appearance in the T2K experiment , 博士論文.

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