NINJA 実験におけるシンチレーショントラッカーのニュートリノビーム測定に向けた運用試験
横浜国立大学

理工学部

数物・電子情報系学科 物理工学 EP
学籍番号 1764074
金島遼太
2021 年 2 月 12 日

概要
T2K 実験は、茨城県東海村の J-PARC から岐阜県神岡町の Super-Kamiokande に大強度ニュートリノを打ち込む長基線ニュートリノ振動実験である。NINJA 実験は T2K 実験の大強度ニュー
トリノビームを原子核乾板で観測することでサブミクロンの位置分解能でニュートリノと様々な標的物質の間の相互作用を精密に測定する。
原子核乾板に記録される荷電粒子の飛跡は時間分解能を持たない。このため、NINJA 実験では、原子核乾板とシンチレーショントラッカーの間で飛跡のマッチングを行うことで原子核乾板に記録された荷電粒子の飛跡に時間情報を付与する。
シンチレーショントラッカーは合計 248 本のプラスチックシンチレーターバーが縦と横に並べられ、バーに沿って接着された波長変換ファイバの片側先端に半導体光検出器の MPPC が接続された構造を持つ。シンチレーショントラッカーは高い時間分解能と位置分解能を持ち、原子核乾板の飛跡に対して時間情報を付与するのに適した検出器である。
シンチレーショントラッカーには光検出器である MPPC の信号の読み出しに EASIROC moduleを用いる。本研究ではまず EASIROC module を用いて MPPC で LED の光量測定を行った。その後、J-PARC にてシンチレーショントラッカーの組み上げと運用試験を実施した。運用試験では故障している部品の点検と宇宙線イベントの観測を行った。

1

目次
第 1 章 ニュートリノ振動

1.1
1.2

4

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

第 2 章 T2K 実験

2.1
2.2
2.3

2.4

6

概要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ニュートリノビーム

2.2.1

6

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

7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9Oﬀ-axis 法

前置検出器

4
4

2.3.1

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

9

2.3.2

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

9

2.3.3

WAGASCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

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

10

第 3 章 NINJA 実験

12

3.1

CCQE 反応と 2p2h 反応 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2

NINJA 実験の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.3

実験のセットアップ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.3.1

ECC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

3.3.2

エマルションシフター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.3.3

シンチレーショントラッカー

15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

第 4 章 エレクトロニクス

4.1

18

MPPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

ダークノイズ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.2

NIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.3

EASIROC module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.1.1

第 5 章 EASIROC module を用いた MPPC の測定

23

5.1

測定方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

5.2

測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2

第 6 章 シンチレーショントラッカーの運用試験

26

6.1

DAQ エレクトロニクスの組み上げ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

6.2

MPPC のダークノイズを用いた各チャンネルの点検 . . . . . . . . . . . . . . . . .
ゲインキャリブレーション . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28
28

宇宙線イベント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

6.3
6.4

第 7 章 まとめと展望

33

3

第 1 章 ニュートリノ振動

1.1

ニュートリノ

物質を構成する素粒子であるクォークとレプトンは表 1.1 のようにそれぞれ 3 世代のグループに分けられ、合計 12 種類存在する。

クォーク
レプトン

第１世代

第２世代

第３世代

アップ

チャーム

トップ

ダウン

ストレンジ

ボトム

電子

ミュー粒子

タウ粒子

電子ニュートリノ

ミューニュートリノ

タウニュートリノ

表 1.1: クォークとレプトン

1930 年に Pauli は、β 崩壊で放出される電子のエネルギー分布が離散的にならない現象を説明するために電荷を持たず非常に軽い素粒子としてニュートリノを考案した。ニュートリノは中性のレプトンであり、標準理論では質量を持たないとされている。ニュートリノは荷電レプトンに対応した「フレーバー」により νe 電子ニュートリノ、νµ ミューニュートリノ、ντ タウニュートリノの３種類に分類することができる。また、ニュートリノは弱い相互作用と重力相互作用のみ行う。

1.2

ニュートリノ振動

ニュートリノには３種類のフレーバーの固有状態 |νe ⟩,|νµ ⟩,|ντ ⟩ はそれぞれ３種類の質量の固有状態 |ν1 ⟩,|ν2 ⟩,|ν3 ⟩ の線形結合で式 (1.1) のように表すことができる。




|νe ⟩
|ν1 ⟩




|νµ ⟩ = UP M N S |ν2 ⟩

|ντ ⟩

(1.1)

|ν3 ⟩

ここで UP M N S は Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata 行列と呼ばれるユニタリ行列であり、式 (1.2)
で表される。
1


UP M N S =  000cos θ23− sin θ23

0




cos θ23  
sin θ23cos θ130sin θ13 e−iδ

0

1

0

0

cos θ13− sin θ13 e

4

−iδ



cos θ12 − sin θ120

sin θ12cos θ12
0


0

0
1
(1.2)

式 (1.2) において、θij は固有状態 |νi ⟩, |νj ⟩ 間の混合角であり、δ は CP 位相と呼ばれ δ ̸= 0, π のとき CP 対称性が破られている。
ニュートリノ振動とはニュートリノが飛行中にそのフレーバーが変化する現象である。まず νeと νµ の２世代間のニュートリノ振動について考える。式 (1.1) と同様に各フレーバーの固有状態
は質量の固有状態の混合状態であるとすると以下の式 (1.3) で表せる。
) (
)(
) (
)
(
|νe ⟩
cos θ
sin θ
|ν1 ⟩
cos θ|ν1 ⟩ + sin θ|ν2 ⟩
=
=
|νµ ⟩
− sin θ cos θ|ν2 ⟩− sin θ|ν1 ⟩ + cos θ|ν2 ⟩(1.3)

νi の時間発展は|νi (t)⟩ = |νi ⟩e−i(Ei x−pi t)(1.4)|νe (t)⟩ = cos θ|ν1 ⟩e−i(E1 x−p1 t) + sin θ|ν2 ⟩e−i(E2 x−p2 t)(1.5)となるので νe の時間発展はとなる。ここで相対論的に考えると mi << pi であるから t = L, pi =√Ei2 − m21 ≃ Ei −m2i /2Ei の近似を用いる事ができる。また、L(= x = t) をニュートリノの飛行距離、E1 = E2 、∆m2 = m21 −m22とすると式 (1.5) は以下となる。
m2
2L

m2
1L

|νe (t)⟩ = cos θ|ν1 ⟩e−i 2E1 + sin θ|ν2 ⟩e−i 2E2m2=e−i 2E2(cos θ|ν1 ⟩e

2

L
−i ∆m
2E

(1.6)

+ sin θ|ν2 ⟩)よって、νe が t=0 で生成され、L だけ飛行した後ときに νµ に変化する振動確率 P (νe → νµ ) は2

P (νe → νµ ) = |⟨νmu |νe (t)⟩|= sin2 2θ sin

∆m2
L
4E

(1.7)

となる。また、ここまでは ℏ = 1, c = 1 の自然単位系で考えていたが、SI 単位系で考えると式(1.7) は()∆m2 c4L
4Eℏc()∆m2 L[eV2 ][km]2= sin 2θ sin 1.27
4E[MeV]P (νe → νµ ) = sin2 2θ sin(1.8)となる。式 (1.8) を考えると、振動確率は二乗質量差に依存しているためニュートリノが質量を持たなければニュートリノ振動は起こらないことが分かる。1998 年に実際にニュートリノ振動が確認され、標準理論を覆しニュートリノは質量を持つことが示された。

5

第 2 章 T2K 実験

2.1

概要

T2K(Tokai to Kamioka) 実験とは、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 ) で作られたニュートリノビームを 295 km 離れた岐阜県
飛騨市神岡町にある水チェレンコフ形検出器スーパーカミオカンデで観測する長基線ニュートリノ
実験である（図 2.1）。ニュートリノを 295 km 飛ばす事により人工的にニュートリノ振動を観測することができ、νµ , νe 間の振動パラメータの精密測定やニュートリノの CP 対称性の破れの解明を目的としている。

図 2.1: T2K 実験概略図 [1]

6

2.2

ニュートリノビーム

J-PARC ではニュートリノビームが（図 2.2）の３種類の加速器によって作られる。まず LINAC(LINear
Accelerator) で負水素イオン H − が 400 MeV まで加速され陽子に変換される。その後、RCS(Rapid
Cycling Synchrotron),MR(Main Ring) で 3 GeV まで加速される。加速された陽子は 2.48 s の周期のスピルでグラファイト標的に打ち込まれる。また、各スピルは 4.1 µs の時間幅を持ち、58 ns の時間幅を持ったバンチが 583 ns の間隔で 8 つ連なったものとなっている。グラファイト標的に入射した陽子のハドロン反応により荷電 π 粒子を中心にしたハドロンが生成される。π 粒子は３台の電磁ホーンにより収束され標的から下流 94m のディケイボリュームによって式 2.1 で崩壊する。

π + −→ µ+ + νµ(2.1)

π − −→ µ− + ν̄µ電磁ホーンの極性を変更することで π ± 粒子のどちらを収束させるか、すなわちニュートリノと反ニュートリノのどちらを取り出すかを選択することができる。

図 2.2: J-PARC 加速器 [2]2.2.1

Oﬀ-axis 法

Oﬀ-axis 法とは検出器をビーム軸上からずらして配置する (図 2.3) 方法で、これによりビームのエネルギー分布幅が軸上にあるよりも狭くなり、狙ったエネルギーのニュートリノの反応が観測し7

やすくなる。図 2.4 に νµ が振動せず残る確率（生存確率）と νµ → νe の振動確率、Oﬀ-Axis 法におけるエネルギースペクトラムを示す。より多くのニュートリノ振動を観測するためには、振動確率が最大となるエネルギーにピークをもつニュートリノビームで実験するのが最適である。T2K
実験では 0.6 GeV 付近のエネルギーが最適であり、このエネルギー帯のスペクトルが最大となるよ
うに Oﬀ-Axis 角 2.5◦ を採用している。T2K 実験はこの Oﬀ-axis 法を初めて採用した実験であり、後置検出器であるスーパーカミオカンデがビーム軸上から 2.5◦ ずれた位置にくるようにビーム方向を調整している。

図 2.3: OﬀAxis 法の概要 [3]P(νµ→ νe)

P(νµ→ νµ)1
sin22θ23 = 1.0
sin22θ13 = 0.1∆m232 = 2.4 × 10-3 eV2

0.5

0.10

1

2

1

2

NH, δCP = 0
NH, δCP = π/2

IH, δCP = 0
IH, δCP = π/2

3

0.05

Φ295km
(A.U.)
νµ0
1

3

OA 0.0°OA 2.0°OA 2.5°

0.5

0
0

1

Eν (GeV)23

図 2.4: 上のグラフから νµ の生存確率、νµ → νe の振動確率、3 つの OﬀAxis 角におけるニュート
リノビームのエネルギースペクトラム [4]

8

2.3

前置検出器

グラファイト標的から 280 m 下流の場所にはニュートリノ前置検出器が配置されており、生成直
後のニュートリノの情報を得る役割がある。

2.3.1

INGRIDINGRID(Interactive Neutrino GRID) はビーム軸上に配置された On-axis 検出器である。計 14個の検出器が図 2.5 のように十字に並べられている。検出器中の鉄とニュートリノの反応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ことで、ニュートリノビームの強度と方向を測定し
ている。

2.3.2

ND280

ND280(Near Detector 280) はスーパーカミオカンデ方向に配置された Oﬀ-axis 検出器である。
図 2.6 の 5 種類の検出器群が電磁石のなかに配置されている。ニュートリノ振動が起こる前のミュー
ニュートリノのフラックスとエネルギースペクトル、反応断面積を測定してる。

図 2.5: INGRID

9図 2.6: ND280

2.3.3

WAGASCIWAGASCI(WAter Grid And SCIntillator) はビーム軸上から 1.5◦ ずれた場所に配置された Oﬀaxis 検出器である。T2K 実験における最も大きな系統誤差であるニュートリノと標的原子核を反応断面積を誤差 10 % 以内で測定することが目的である。WAGASCI 検出器は 4 種類 6 台の検出器で構成されている。中央の 2 台の WAGASCI モジュールは格子状にシンチレータが組まれており、ニュートリノの標的となる水が満たされている。WAGASCI モジュールの間にはプロトンモ
ジュールが配置されている。両側に配置された WallMRD、下流側に設置された BabyMIND 検出
器はニュートリノ反応で生成されたミューオンを検出する。

2.4

後置検出器：スーパーカミオカンデ

J-PARC から 295 km 離れた岐阜県神岡町には、T2K 実験の後置検出器スーパーカミオカンデが配置されている。スーパーカミオカンデは直径 39.3 m、高さ 41.4 m のタンクの中に 50 kt の純水が満たされた世界最大の純水チェレンコフ検出器である。
ニュートリノと標的物質の反応で生成された荷電粒子が水中での光の速さより速く運動するとチェ
レンコフ光と呼ばれる光が円錐状に放射される。この光をタンク壁面に設置された約 13,000 本（内壁 11,129 本、外壁 1,885 本）の光電子増倍管 (PMT) によって観測することで、荷電粒子のエネ
ルギー、進行方向、位置、粒子の種類を測定することができる。荷電粒子が電子の場合、電磁シャワーを起こして観測されるチェレンコフ光のリングはぼやけるが、ミューオンの場合はまっすぐ直進するため綺麗なリングを観測される。この違いを用いて、荷電粒子を生成したニュートリノの種類の識別を 99 % の精度行うことが可能である。

10

図 2.7: WAGASCI 実験

図 2.8: スーパーカミオカンデ [5]11第 3 章 NINJA 実験

3.1

CCQE 反応と 2p2h 反応

ニュートリノを直接検出するのは困難であるためニュートリノ検出器はニュートリノと原子核で生成された粒子を測定することで間接的にニュートリノを測定する。CCQE(Charged Current

Quasi Elastic) 反応は T2K 実験で用いるニュートリノエネルギー領域において最も支配的なニュートリノと原子核の反応モードである。図 3.1 に CCQE 反応のダイヤグラムを示す。CCQE 反応は2 体反応なので、生成されたレプトンの終状態を測定することでニュートリノのエネルギーを再構成することができる。

図 3.1: CCQE 反応のダイヤグラム

CCQE 反応に似たニュートリノ反応モードに 2p2h 反応という反応がある。図 3.2 に示したダイ
アグラムのように 2p2ph 反応は CCQE 反応と同じく陽子とレプトンが生成される反応であるが、2p2h 反応では陽子が 2 個生成される。このため、ニュートリノ検出器が陽子を検出できなければ、
CCQE 反応であると誤認してしまい、ニュートリノのエネルギーを間違って再構成してしまう。この 2p2h 反応の存在が T2K 実験におけるニュートリノ振動パラメータ測定の大きな系統誤差になっている。このため 2p2ph 反応の詳細な測定は不可欠である。この 2p2h 反応の詳細な測定には低運
動量の陽子の短い飛跡も測定できる位置分解能を持った検出器を使用する必要がある。

12

図 3.2: 2p2h 反応のダイヤグラム

NINJA 実験の目的

3.2

NINJA(Neutrino Iteraction research with Nuclear emulsion and J-PARC Accelerator) 実験は
高い位置分解能をもった原子核乾板と大強度ニュートリノビームを用いて、ニュートリノと様々な標的物質との反応を精密測定する実験である。原子核乾板を用いれば 2p2ph 反応由来の低運動量(> 200 MeV/c) の陽子を観測できる。NINJA の実験は 2p2h 反応を精密に測定することで、ニュートリノと原子核の反応の系統誤差を削減する。

実験のセットアップ

3.3

NINJA 実験は WAGASCI 検出器と同じく J-PARC ニュートリノモニター棟地下 2 階に設置されており、Oﬀ-Axis 1.5◦ にあたる。図 3.3 に NINJA の実験の検出器のセットアップを示す。NINJA
実験は主に ECC、エマルションシフター、シンチレーショントラッカーの 3 つの検出器で構成さ
れる。

3.3.1

ECC

ECC(Emulsion Cloud Chamber) は原子核乾板と様々な標的物質を交互に並べた構造の検出器である（図 3.4）。標的物質には鉄や水などが使われる。後置検出器のスーパーカミオカンデでは水が標的物質であるため、水とニュートリノの反応の測定は重要である。また、2021 年 3 月から行う予定のニュートリノビーム測定では重水標的 ECC を使用する。

ECC にニュートリノが入射して標的物質と反応してできた荷電粒子は原子核乾板に飛跡を残す。
ビーム照射後に原子核乾板を現像し、荷電粒子の飛跡を専用の読み取り機で読み取ることでニュートリノと標的物質の反応をサブミクロンの位置分解能で測定できる。

13

ずらすことで数時間から数日単位での時間情報を付与，原子核乾板の高い位置分解能
2. シンチレータトラッカー… ビームタイミングを用いた
Baby MIND とのバンチ単位でのトラック接続，位置分
解能は数mmを要求
シフター

ν

μ
ミューオン検出器(Baby MIND)

ECC
トラッカー
!7

図 3.3: NINJA 実験のセットアップ。ECC で生成されたミューオンの飛跡をエマルションシフターとシンチレーショントラッカーによって、Baby MIND まで接続する。[6]図 3.4: 2019 年 11 月から 2020 年 2 月までのニュートリノビーム測定で用いた水 ECC[6]143.3.2

エマルションシフター

ECC は非常に高い位置分解能を持つ一方、蓄積される飛跡は時間情報を持たない。このため、ECC 単体では Baby MIND などの周辺検出器と飛跡を接続することはできない。そこで NINJA
実験では、エマルションシフターとシンチレーショントラッカーを用いて ECC の飛跡に時間情報を付与する。
エマルションシフターは複数の原子核乾板がそれぞれ異なった周期で動くことで飛跡の通過時間を測定する検出器である。4 時間で往復する原子核乾板と 4 日で往復する原子核乾板があり各原子
核乾板同士に記録された飛跡の組み合わせを考慮することで 4 時間程度の時間分解能が得られる。
また原子核乾板を用いているため記録された飛跡はサブミクロンの位置分解能を持っている。

図 3.5: 2019 年 11 月から 2020 年 2 月までのニュートリノビーム測定で用いたエマルションシフ
ター [6]

3.3.3

シンチレーショントラッカー

シンチレーショントラッカーはエマルションシフターと同じく、ECC の飛跡に時間情報を付与
し Baby MIND などの周辺検出器と飛跡の接続を行う検出器である。シンチレーショントラッカーの位置分解能は 2.9 mm となっており、検出効率は MIP(Minimum Ionization Particle) のミューオ

15ンに対してはほぼ 100 % となっている。また、シンチレーショントラッカーの時間分解能は高く、後述する EASIROC module の機能の multi hit TDC を用いれば 1 ns 単位での測定が可能である。

検出器の構造シンチレーショントラッカーは合計 248 本のプラスチックシンチレーターバーが大部分を占める。
バーを縦と横に並べた層が縦横 4 層ずつ重なっている（図 3.6）。バーに沿って波長変換ファイバが接着されており、波長変換ファイバの片側先端には半導体光検出器の MPPC が接続されている（図3.7）。MPPC は同軸ケーブルでケーブル変換基盤に接続され、基盤はフラットケーブルで MPPC
読み出し用エレクトロニクスの EASIROC module に接続されている（図 3.8）。

図 3.6: シンチレーショントラッカー: y 軸

図 3.7: シンチレーショントラッカー: バーの端か（横向き）のプラスチックシンチレータバー

ら伸びたファイバが MPPC に接続されている。

検出原理
プラスチックシンチレータバーは荷電粒子が通過するとシンチレーション光を発光する。この光を波長変換ファイバによって MPPC まで送り、EASIROC module で MPPC の信号を読み出すこと
で、荷電粒子が通過して発光したバーを特定する。そして発光した複数のバーの組み合わせから荷電粒子の飛跡を再構成する。プラスチックシンチレータバーは縦横それぞれ 4 層が図 3.9 のようにずれた状態で重なっている。ずらして重ねることで発光が無かったという情報も飛跡の再構成に用いることができるため、チャンネル数を削減することが可能である。

16

NINJA Tracker Concept

図 3.8: シンチレーショントラッカー: ケーブル変換基盤に接続された同軸ケーブルとフラットケー
ブル

図 3.9: シンチレーショントラッカー: ずれた状態で重なっているシンチレータバー [6]hit/unhit information provides
more precise position information
than the width of 17
scintillators

第 4 章 エレクトロニクス
本章では本研究に用いたエレクトロニクスについて述べる。

4.1

MPPC

MPPC(Multi Pixel Photon Counter) は浜松フォトニクスが開発した半導体光検出器であり、APD(Avalanche Photo Diode) をマルチピクセル化して作られている。MPPC は APD に降伏電圧以上の電圧を加えたガイガーモードで用いることで、優れたフォトンカウンティング能力を持つ。
ガイガーモードの APD に光子が入射するとガイガー放電が起こり印加電圧とブレイクダウン電圧

Vbd の差に比例した電荷が出力される。出力される電荷 Q は C を APD のキャパシタンスとすると以下の式で表せる。

Q = C(V − Vbd )(4.1)

ガイガー放電は入射した光子の数に関わらず起こるため図 4.1 のように複数の APD を並列に並べることで入射した光子数に応じた電荷が出力され、光子数を計測することができる。また、クエン
チング抵抗はガイガー放電が起こった後にクエンチング抵抗における電圧降下によって APD の電圧をブレイクダウン電圧まで下げてアバランシェを止める役割がある。

図 4.1: MPPC の構造 [7]184.1.1

ダークノイズMPPC は光子が入射していない場合でも熱電子などによって放電が起こることがあり、この現象をダークノイズと呼ぶ。ダークノイズの単位時間当りのレートは印加電圧と温度に依存しており、印加電圧と温度が高い程レートは高くなる。ダークノイズでも 1 p.e. と同等の電荷が出力されるため、実際に光子が来た場合と区別することはできない。

4.2

NIM

NIM(Nuclear Instrument Modules) はアメリカの原子力委員会によって制定された主に原子力実験や素粒子実験に用いられる回路の規格である。それぞれのモジュールは実験で頻繁に必要とされる単一の機能を持っている。また NIM の論理信号の電圧の規格は −0.8 V が YES 信号、0 V がNO 信号となっている。図 4.2 は本研究で用いた NIM モジュールとクレートの写真である。また
本研究で用いた NIM モジュールの機能を表 4.1 に載せる。

図 4.2: 本研究で用いた NIM

4.3

EASIROC module

EASIROC(Extended Analogue Silicon-pm Integrated Read Out Chip) はフランスの Ecole Polytechnique のオメガグループが開発した MPPC 用読み出し用 ASIC である。1 つのチップで 32chの MPPC を読み出し可能であり、バイアス調整、波形整形増幅器、discriminator などの機能を備えている。EASIROC module はこの ASIC チップを 2 枚搭載したモジュールであり、最大 64ch のMPPC を接続することができる。図 4.3 に EASIROC ASIC の概略図を載せる。
MPPC の信号をデータに読み出すとき MPPC の信号はアナログ信号ではなくデジタル信号に変換する必要がある。この変換を ADC(Analog-to-Digital Converter) と呼ぶ。ADC の方法は電圧19モジュール名

機能

EASIROC module

汎用 MPPC 読み出しモジュール
最大 64 チャンネルの MPPC を同時駆動することができる。

YES 信号が入力されると、設定した時間だけ遅延させ、Gate Generator

設定した時間幅の YES 信号を出力する。

YES 信号が入力されると、決められた時間だけ遅延させて YES 信号を出力する。

Fixed Delay

今回用いたモジュールの遅延時間は 100 ns
入力端子のいずれかに YES 信号が入力されると YES 信号を出力する。

Fan I/O

論理演算の論理和（OR）の役割
入力端子のすべてに YES 信号が入力されると YES 信号を出力する。

Coincidense

論理演算の論理積（AND）の役割設定した周期、時間幅の YES 信号を出力する。

Clock Generator

表 4.1: 本研究で用いた NIM モジュール

DATASHEETEASIROC DATASHEET

VDD

VHI

Channel 31
Channel 0

in_calib

Hold

Ctest
0.1pF - 1.5pF

calib input
3pF

IN
Ch0
15pF

ON

Hold

0.1pF - 1.5pF
High Gain
PreAmp.

OR32Read1
output VDD

25 - 175 ns

analogue buffer

RS or Discri

15 nsHigh Gain
outputGND

c15p

8-bit DAC
0-5V

Read High Gain

Multiplexed
OutputSlow Shaper

Bipolar Fast
ShaperLow GainoutputGND

analogue buffer+

Figure 3 – ASIC schematic

http://omega.in2p3.fr

Ch1 input
Ch0 input

OR32Read1
output VDD

25 - 175 ns

3pF
Ch31 input

Read Low Gain

Multiplexed
OutputSlow Shaper

+

1.5pF

Low Gain
PreAmp.

Latch
RS

V_th

Discri

Channel0_trigger

Read

Trigger
Multiplexed
Output32 digital buffer
VHI
outputs
VLO

Trigge r31 output
Trigge r1 output

Trigger0
output

OR32Read1
outputHit Mux
output

VHI
EN

VLO

digital tri-state buffer

Variable Low
Gain PA (4 bits)

Variable High
Gain PA (4 bits)

LG Slow Shaper
Variable Shaping
Time (3 bits)

HG Slow Shaper
Variable Shaping
Time (3 bits)

10-bitDAC

1
OR32 output
Ch31_trigger

OR32
outputVHI

VLO

digital buffer

Common to the 32 channels
GND

6/22

図 4.3: EASIROC ASIC の回路概略図 [8]

20

VLO

を測定する波高検出型 ADC と一定時間幅の電圧を積分し電荷を測定する電荷積分型 ADC の 2 種類が一般的であるが、EASIROC module は波高検出型 ADC を行う。

EASIROC module が MPPC のデータを読み出す流れを説明していく。まず、EASIROC moduleに入力された MPPC の信号は増幅倍率の異なる high gain PreAMP と low gain PreAMP に 10:1の割合で分配され増幅される。増幅率は可変であり、high gain 側で 10 から 150 倍、low gain 側
で 1 から 15 倍に増幅する。high gain 側の信号は fast shaper と slow shaper の 2 つの成形器に分配される。

fast shaper では時間測定用に 15 ns の立ち上がり時間で成形されて discriminator に送られる。
discriminator に信号が送られた後、後述するピークホールドのための trigger 信号が発行される。
slow shaper では 28 ns から 180 ns の間で可変な立ち上がり時間で成形されて電荷測定が行われる。
電荷測定で波高を検出する際、自動でピークの検出はされないため波高のピークを一定時間保持させる必要がある。これをピークホールドと呼ぶ。EASIROC module の HOLD 入力端子に信号が入力されると slow shaper 以降の回路が遮断され、この時点の波高をキャパシタが保持することでピークホールドが行われる。このホールドのタイミングは使用者の手で調整する必要がある。図 4.4から図 4.5 にホールドされていないときの波形、正しくピークホールドされている波形、ホールドのタイミングが遅いときの波形を示す。

EASIROC module は multi hit TDC(Time-to-Digital

Converter) という各チャンネルの立ち上がり時間と立ち下がり時間を記録する機能を持っている。
これは ASIC チップの機能ではなく EASIROC module に搭載された FPGA(Field-Programmable

Gate Array ) に実装された機能である。multi hit TDC は HOLD 信号が入力されてからレンジ
4096 ns の内に TSTOP 信号が入力されるまで記録を行う。また、multi hit TDC は ADC と独立に動いているため電荷測定している間に入力された MPPC 信号も記録することができる。表 4.2に本研究で使用する EASIROC module の信号を載せる。

図 4.4: hold されていない波形；黄色の波形は MPPC の信号、青色の波形は HOLD 信号

21図 4.5: 正しく hold された波形（左）とピーク後に hold された波形（右）

デジタル

HOLD

信号が入力されるとピークホールドを行う。

入力信号

ACCEPT

信号が入力されると次のデータを取ることを許可する。

TSTOP 信号の十分あとに入力する。
TSTOP

信号が入力されたタイミングが multi hit TDC の時間基準点となる。

HOLD 信号が入力されてから 4096 ns 以内に入力する必要がある。
デジタル

TRIG

出力信号

discriminator に送られた各チャンネルの MPPC 信号がトリガー条件を満たしていた場合トリガー信号が出力される。
この信号を適切に遅延させて各デジタル入力信号に入力する。

アナログ
出力信号

SYNC OUT

複数の EASIROC module の同期のために使用される。

HG1/2

各チップにおける high gain 信号が slow

shaper を通った後にピークホールドされた波形を出力する。
表 4.2: EASIROC module の信号

22

第 5 章 EASIROC module を用いた
MPPC の測定
J-PARC での運用試験の前に横浜国立大学にて EASIROC module を用いた MPPC の測定を行った。測定の方法と結果を述べる。

5.1

測定方法

MPPC に LED を照射し、その光量の測定を行った。図 5.1 に MPPC の測定に用いたエレクト
ロニクスのセットアップを示す。

図 5.1: セットアップ

MPPC と LED は図 5.2 のような配置で箱の中に設置し、この箱を暗幕で覆い遮光した。LEDは 1 kΩ の抵抗と直列で接続させ、Pulse Generator を用いて周期 1 kHz、時間幅 10 µs、電圧 1.21 Vのパルス電圧を加えた。MPPC は同軸ケーブルによってケーブル変換基盤と接続した。そして、基盤に接続したフラットケーブルを EASIROC module に接続した。

EASIROC module のトリガー条件は MPPC を接続している ch が閾値を超えた場合とした。また閾値はすべての光量を測定できるよう EASIROC で用いられる閾値パラメータである DAC code を十分低い 750 に設定した。EASIROC module の TRIG 信号は GateGenerator(HOLD) で適切にピークホールドで23

図 5.2: LED（左側）と MPPC（右側）の配置

きるように遅延させ、出力信号を EASIROC module の HOLD に信号に入力した。GateHOLD の
出力信号を FixedDelay(DelayTSTOP) に入力して 300 ns 遅延させて、TSTOP 信号に入力した。

TSTOP 信号は HOLD 信号の後に入力されれば良い事に加え、MPPC を 1 チャンネルしか接続していない場合 multi hit TDC の機能は必要ないため TSTOP 信号が入力されるタイミングは今回のタイミングで問題はない。その後、DelayTSTOP の出力信号を GateGenerator(Gate Acce.) に入力し、1 ms 遅延させて ACCEPT 信号に入力した。図 5.3 にこの測定における各信号のタイミン
グチャートを示す。

図 5.3: 各信号のタイミングチャート

24

5.2

測定結果

測定の結果を図 5.4 に示す。横軸は EASIROC module で測定した MPPC 信号の ADC カウン
トであり、縦軸はそのエントリー数である。光量を計算するにはゲイン（1 光子 (p.e.) 当りの ADC
カウント）を計算する必要がある。0 p.e. に当たるペデスタルと 1 p.e. のピークに図 5.5 のようにダブルガウシアンフィッティングをすることで 2 つのピークの中央値の差を計算しその値をゲインとした。

図 5.4: LED を照射したときの ADC 分布

図 5.5: ペデスタルと 1 p.e. 付近の ADC 分
布。赤い曲線はダブルガウシアンフィッティ
ング結果

フィッティングの結果ゲインは 24 ADCcount/p.e. となった。この結果から、図 5.4 における 900〜1200 ADC に分布している LED 光によるイベントは 3〜16 p.e. であることが分かる。

25

第 6 章 シンチレーショントラッカーの運用
試験
2021 年 1,2 月に、J-PARC,NM 棟にてシンチレーショントラッカーの運用試験を行った。試験は以下の手順で行った。

1.

シンチレーショントラッカーの DAQ エレクトロニクスの組み上げ

2.

データを取得3.

各 ch の ADC 分布をもとに、故障している ch の確認

4.

ピークサーチによるゲインキャリブレーション

5.

ゲインをもとに宇宙線イベントの統計を取得

6.

宇宙線イベントの飛跡を確認

6.1

DAQ エレクトロニクスの組み上げ

シンチレーショントラッカーで用いる 4 台の EASIROC module を同時に駆動するため DAQ エ
レクトロニクス（図 6.1）とそのデータ収集システムについて説明する。
シンチレーショントラッカーでは EASIROC module を Y 軸用と X 軸用にそれぞれ 2 台ずつの
計 4 台使用する。Y 軸と X 軸の両方でトリガーがかかったときにデータ取得を行うシステムを組んだ。Y 軸と X 軸の EASIROC moduleTRIG 信号をそれぞれ FAN Y,X に通した後に COIN Trig.
に通して AND 信号にした。この AND 信号を XY トリガーと呼ぶ。
次に、データ取得のレートを一定にするためのシステムを組み込んだ。まず、Clock Generator を用いて周期 100 Hz の信号を作り、この信号の時間幅を 6 µs になるように GATE BEAM を用いて調節した。なお、実際のビームテストではビームトリガーが 2.48 s 周期で送られてくるため Clock

Generator を用いることはない。GATE BEAM の信号をビームトリガーと呼ぶ。ビームトリガー
を GATE Dum. と COIN ALL に送った。GATE Dum. の信号をダミートリガーと呼ぶ。ビーム
トリガーの時間幅 6 µs の間に XY トリガーがなかった場合でもデータ取得を行うために、ダミートリガーがビームトリガーの最後に送られるように 5 µs 遅延させた。ビームトリガーとダミート
リガーのタイミングチャートを図 6.2 に載せる。その後、ダミートリガーと XY トリガーを FAN

Trig. に送り OR 信号とした。この OR 信号を COIN ALL に送り、ビームトリガーとの AND をとった。また、COIN ALL には 4 台の EASIROC module の同期のために EASIROC module Y1から Sync. OUT 信号を送った。

COIN ALL の信号を GATE(FAN) HOLD、TSTOP、Acce. に通し、各 EASIROC module のデジタル入力信号に送った。また、運用試験では利用していないがビームテストでは multi hit TDC

26

図 6.1: DAQ エレクトロニクス

図 6.2: ビームトリガーとダミートリガーのタイミングチャート

27

を利用するため、HOLD 信号が入力されてから 4096 ns 以内に TSTOP 信号が入力されるように

GATE TSTOP の遅延時間を 4 µs に調節した。ACCEPT 信号は次の周期のビームトリガーより前に送られればよいので、4096 ns より十分長く、10 ms より短い 5 ms に遅延させた。

6.2

MPPC のダークノイズを用いた各チャンネルの点検

前節のデータ収集システムでデータを取得後、各チャンネルの ADC 分布のダークノイズの分布を確認し故障しているチャンネルが無いかどうか点検を行った。各チャンネルの ADC 分布を確認すると EASIROC のチップごとに ADC 分布の特徴が異なっていることが分かった。また、3 つチャンネルに関しては光量が著しく低く、1 つチャンネル (ch66) は同じチップのチャンネルと見比
べてペデスタルのピークしか得られていないことが分かった。図 6.3 に各チップの典型的な ADC
分布と故障している 4 つのチャンネルの ADC 分布を載せる。故障してるチャンネルに関しては、

MPPC が故障していると考えられるため今後交換する必要がある。

図 6.3: 上２段は正常な 8 つのチャンネルの ADC 分布。下 1 段は故障していると考えられる 4 チャ
ンネル

6.3

ゲインキャリブレーション

各 ch を点検後、故障しているチャンネル以外のチャンネルのゲインキャリブレーションを行った。ペデスタル、1 p.e.、2 p.e. のピークが測定できているため、ピークサーチを用いて 3 つのピー
クの中央値を探し、それら 3 つで線形フィッティングを行い、ゲインを算出した。

28

図 6.4 にピークサーチの結果を示す。多くのチャンネルは 3 つのピークを正しくサーチすることができたが、図 6.5 のように正しくピークサーチが行えていないチャンネルが 10 チャンネルあった。この 10 チャンネルに関してはペデスタルと 1 p.e. の差をゲインとした。
ピークサーチを正しく行えたチャンネルは図 6.6 のように横軸を p.e.、縦軸を ADC として、3

ch27
h27

105

EntriesMean
Std Dev

6000006
815.9
8.391

1100

1150

104

103

102

10

1
650

図 6.4: ピークサーチの結果

700

750

800

850

900

950

1000

1050

図 6.5: ピークサーチの失敗例

つのピークの (p.e., ADC) を一次関数でフィッティングを行い、その傾きをゲインとした。図 6.7に 244 チャンネルのゲインキャリブレーションの結果を示す。横軸は各 EASIROC module のチャ
ンネル番号、縦軸はそのチャンネルに接続された MPPC のゲインを表す。各チップごとのゲインのばらつき（平均値に対する標準偏差の割合）は約 3〜20 % となった。

6.4

宇宙線イベントゲインを計算した後、各チャンネルの最小電離粒子に対する平均光量を測定した。5.5 p.e. 以上のイベントが宇宙線イベントであるとして、全体の ADC 分布から 5.5 p.e. 以上に相当する領域を抜き出して解析を行った。全 244 チャンネルの宇宙線イベントの平均光量とイベント数を図 6.8 に結果を示す。図 6.8 から宇宙線イベント数が 0 であったチャンネルが 3 チャンネルあった。このチャ
ンネルはシンチレーションバーやファイバが破損しているために光量が得られなかった可能性があるが、測定時間が足りていない可能性もある。今後は宇宙線イベントの観測時間を伸ばし、より詳細に解析を行う。また、イベント数が極端に多いチャンネルが 1 チャンネルあった。このチャンネ
ルに関しては遮光が不十分であった可能性があるため、2021 年 3 月のニュートリノビーム照射前

29

EASIROC Y1

80

Gain

Gain

図 6.6: p.e. 数と ADC カウントの関係。

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

Gain

10

10

80
00

10

20

70

30

40

EASIROC X1

50

60

80
00
ch

10

20

10

20

70

60

60

50

50

40

40

30

30

20

20

10
0

EASIROC Y2

80

70

30

40

50

60

30

40

50

60

EASIROC X2

10
0

10

20

30

40

50

60

0

ch 0

ch

図 6.7: 各チャンネルのゲイン。赤の直線は各チップのゲインの平均値を表す。

30

に遮光の状態を確認する。
図 6.9 にシンチレーショントラッカーで観測されたある 1 つの宇宙線イベントのイベントディスプ
レイを示す。赤い四角は発光があったチャンネルを表しており、宇宙線が通過した場所に飛跡が見て取れる。
Cosmic p.e.

Cosmic Event

Entries

244

32

Mean

15.93

30

Std Dev 5.515

Cosmic Event

Entry

Entry

Cosmic p.e.
34

10

9

Entries

244

Mean

31.66

Std Dev

24.8

28
8

26
24

7
22
20

6

18
5

16
14

4

12
10

3

8
2

6
4

1

2
0

0
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45
p.e.

0

50

100

図 6.8: 左；宇宙線イベントの平均光量、右；宇宙線イベント数。

31

150

200
#Event図 6.9: 宇宙線イベントディスプレイ。赤は発光があったチャンネル、黒は MPPC が故障している

4 チャンネル

32

第 7 章 まとめと展望
本研究では 2021 年 3 月に行われるニュートリノビーム測定に向けて、NINJA 実験におけるシンチレーショントラッカーの DAQ エレクトロニクスの組み上げと運用試験を行った。運用試験では使用している 248 チャンネルのうち、4 チャンネルはの MPPC が故障していることがわかった。また、3 チャンネルはシンチレータバーもしくは波長変換ファイバが故障している可能性があることが分かり、今後宇宙線イベントの測定時間を増やして調査を進める。2021 年度に行われる次回のニュートリノビーム測定までに交換を行う必要がある。また、1 チャンネルに関しては光量がほかのチャンネルよりも多く測定されていたため、ニュートリノビーム照射前に遮光を確認を行う。本
研究により、NINJA 実験のシンチレーショントラッカーは、2021 年 3 月からのニュートリノビー
ム測定にに向けた準備を完了できた。

33

謝辞
本研究に際して、多くの方々にご支援、ご協力いただきました。この場を借りて感謝の意を表します。
指導教員の南野彰宏准教授には、研究から進路の事まで大変手厚くご支援いただきました。また、私が研究に行き詰まった時には親身に相談に乗っていただき、解決へと導いてくださいました。深く感謝申し上げます。
福田努 YLC 特任助教には J-PARC への出張に際し、大変お世話になりました。NINJA 実験のような最先端の研究に携わらせていただけた事に大変感謝申し上げます。
京都大学高エネ研 D1 の小田川さんには、EASIROC module の使い方からシンチレーショント
ラッカーの立ち上げ、データの解析方法など、本研究に際し多大なるご支援とご指導いただきました。ここに御礼申し上げます。
研究室の方々にはコロナ禍で直接お会いする機会はあまりありませんでしたが、ミーティングやゼミでの皆さんの熱意に触れることができたおかげで自分も研究を続けることができました。特に同期の藤中くんは J-PARC の出張中など、卒業研究に向け互いに助言し合って切磋琢磨する事ができました。感謝申し上げます。

34

参考文献

[1] The T2K Experiment(https://t2k-experiment.org)[2] J-PARC 大強度陽子加速器施設[3] C. Giganti,(http://j-parc.jp/Acc/ja/index.html)

Latest results from T2K and T2K Phase II,

in Proceedings, Prospects in

Neutrino Physics (NuPhys2017): London, UK, December 20-22, 2017, pp. 61-69, 2018.
[4] K. Abe et al. [T2K Collaboration], ”T2K neutrino ux prediction”, Phys. Rev. D 87, 012001(2013)[5] スーパーカミオカンデ公式ホームページ (http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index.html)[6] 小田川高大 (2020, 京都大学, 修士論文). 「原子核乾板を用いた ニュートリノ反応精密測定実験のための 大面積シンチレーショントラッカーの開発 」[7] 浜松ホトニクス MPPC データシート[8] Omega 社 EASIROC Data sheet

35