J-PARC T59 実験 (WAGASCI) の横方向
ミューオン検出器用シンチレータの性能評価
横浜国立大学

理工学部

数物・電子情報系学科
学籍番号

物理工学 EP

1464066
岡本浩大

2018.2.15

1

1

概要

T2K 実験は、茨城県東海村の J-PARC より 295km 先の岐阜県神岡のスーパーカミオカンデに向けてニュートリノビームを打ち込み、J-PARC
構内の前置検出器及び後置検出器のスーパーカミオカンデ両方でニュートリノ反応を観測することでニュートリノ振動のパラメータを精密測定する実験である。現在、ニュートリノビーム oﬀ-axis 角 1.5◦ の位置に設置される前置検出器 WAGASCI の側面に設置する、ニュートリノ反応で生成されたミューオンを測定するための検出器、Side-MRD を建設している。本研究では、Side-MRD にて使用するプラスチックシンチレータについて行った、光量、時間分解能に関する試験について報告を行う。また、予備も含めた 324 枚について行った大量測定の結果についても報告する。さらに、WAGASCI のシンチレータについても同様の測定を行い、
WAGASCI と Side-MRD のヒット時間を比較することで方向同定能力を見積もった。

2

目次
1

概要

2

2

ニュートリノ振動

43

T2K 実験

5

4

WAGASCI 実験
4.1 WAGASCI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Side-MRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Baby-MIND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7
7
8
9

5

Side-MRD シンチレータの詳細試験
5.1 目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 SETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 使用機器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 SETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 前実験 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1 MPPC の Gain 測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2 TDC の測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 本測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10
10
10
10
15
16
16
18
20

6

Side-MRD シンチレータの大量測定
6.1 目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 SETUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3 測定結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27
27
27
29

7

WAGASCI シンチレータの性能測定
7.1 目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2 方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3 結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32
32
32
34

8

ヒット時間による荷電粒子の方向同定能力

35

9

結論

38

10 謝辞

39
3

2

ニュートリノ振動

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い νe 、νµ 、ντ の 3 つのフレーバー（弱い相互作用の固有状態）を持つことが実験的に確立されている。
また、ニュートリノはフレーバーとは別に質量の固有状態 ν1 、ν2 、ν3 も持っており、1 つのフレーバーの固有状態はこの質量の固有状態の混合状態で表される。

|να ⟩ =∑αiUM
N S |νi ⟩(1)i

これまで、ニュートリノ振動は太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ、
原子炉ニュートリノ、加速器ニュートリノによる実験にて確認されている。
ニュートリノ振動とは、飛行中にニュートリノが元と異なるフレーバーに遷移する現象のことであり、ニュートリノの質量が 0 ではないこと及びフレーバーの固有状態が質量固有状態の混合状態で表されることに起因αiしている。ここで式 (1) の行列 UM
N S はポンテコルボ・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。








c12 s12 0c13
0 s13 e−iδ
1
0
0





αi






UM N S =  0 c23
010s23    −s12 c12 0  (2)00 1−s13 e−iδ 0c130 −s23 −c23
cij = cos θij 、sij = sin θij であり、θij は質量固有状態の混合角である。
δ(δCP ) は CP 対称性の破れの複素位相である。
このとき、飛行距離 L の間にニュートリノの状態が να から νβ へと振動している確率は以下の式で表される。
P (να → νβ ) = δαβ − 4

∑

(
∗
∗
Re(UαiUβi Uαj Uβj) sin2i>j+2∑∆m2ij L
4Eν

(
∗
∗
) sin
Uβi Uαj UβjIm(Uαik>j)∆m2ij L
2Eν

)

(3)

ここで、∆m2ij は質量二乗差であり、Eν はニュートリノのエネルギーである。

4

図 1: T2K 実験概略図 [1]3T2K 実験
• 概要
T2K 実験は日本で行われている長基線ニュートリノ実験で、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設 J-PARC から 295km 先の岐阜県神岡のスーパーカミオカンデに向けてニュートリノビームを発射する実験である。概略図を図 1 に示す。J-PARC 構内 (280m 地点) にある前置検出器及び、後置検出器 (295km 地点) であるスーパーカミ
オカンデの両方でニュートリノ反応を観測することによりニュート
リノ振動のパラメータの精密測定を行い、混合角 θij の精密測定と、CP 対称性の破れのパラメータ δCP の調査を目的としている。
• ニュートリノビーム
ニュートリノビームは J-PARC にて、陽子ビームをグラファイト標
的に衝突させて π 中間子を生成し、その π 中間子が νµ へと崩壊することで作られる。ニュートリノ振動の確率は式 3 より、ビームのエネルギーに依存するため、低いエネルギーのニュートリノは高エネルギーのニュートリノに比べて短い距離で振動する。T2K 実験のニュートリノビームは 600MeV を中心としたエネルギー分布を持っており、これは後置検出器であるスーパーカミオカンデのある
295km 先で最もニュートリノ振動が起こりやすくするためである。
また、T2K 実験では oﬀ-axis 法を採用している。oﬀ-axis 法とは、ビー
ム軸方向から少しずらした角度でビームを観測することによって、ビームエネルギーの幅を狭い範囲で観測することができる手法である。T2K 実験では oﬀ-axis 角として 2.5◦ を採用しており、これによってニュートリノ振動の効果が最もよく見える角度を選んでいる。
5図 2: INGRID[1]• INGRIDINGRID(Interactive Neutrino GRID) はニュートリノビーム on-axis
方向に設置されている、ニュートリノビームの方向及び強度の確認を行う検出器である。写真を図 2 に示す。
グラファイト標的から 280m 下流に設置されており、ビーム方向に 7台、垂直横方向に 7 台のモジュールが十字に並べられており、各モ
ジュールは 9 枚の鉄層と 11 枚のシンチレータ層からなっている。この 14 台のモジュールによってビーム中心より ±5m の範囲をカバーしている。
• 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は、岐阜県飛騨市神岡町の神岡鉱山地下 1000mにある世界最大の水チェレンコフ宇宙素粒子観測装置であり、JPARC のグラファイト標的から 295km 先にある。
スーパーカミオカンデは 5 万トンの純水を蓄えている、直径 39.3m、高さ 41.4 ｍの円筒形の水タンクと、その外壁に約 1300 本の光電子増倍管からなっている。スーパーカミオカンデでは水をニュートリ
ノビームの標的としており、水とのニュートリノ反応にて生じた荷電粒子は円錐状のチェレンコフ光を放射する。このチェレンコフ光を外壁に設置した光電子増倍管で観測するとリング状の信号を見ることができる、この際ミューオンによるチェレンコフ光ははっきりとしたリングを作るが、電子によるリングはぼんやりしているという特徴がある。このリングによって、粒子の種類や、荷電粒子のエ
ネルギー、生成点、進行方向などを再構成している。
6

図 3: WAGASCI 予定図

4

WAGASCI 実験

本章では T2K 実験の前置検出器ホール地下二階に設置されている WAGASCI 検出器および、設置予定の Side-MRD について述べる。完成予定
図を図 3 に示す。

4.1

WAGASCIWAGASCI(WAter Grid And SCIntillator) 検出器は、J-PARC 構内のT2K 実験前置検出器ホール地下二階に設置されている三次元格子構造を持つニュートリノ検出器である。
WAGASCI 検出器一台の大きさはビーム軸と垂直な方向に縦横 1m、平行な方向に 0.5m で、ニュートリノ標的の水と CH の重量はそれぞれ 400kgと 100kg である。検出器内部はプラスチックシンチレータを格子状に組むことで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
タの並べ方は、横方向、グリッド構造、縦方向、グリッド構造、横方向の順番に配置しており、グリッド構造のプラスチックシンチレータは縦横 5cm の間隔で配置されている。そのグリッド内に水または CH を入れるため、5.0cm×5.0cm×2.5cm の水または CH のセルが並んでいるような構造になる。プラスチックシンチレータを三次元構造に組むことで、荷電粒子に対して 4π のアクセプタンスを実現できる。
また、WAGASCI 検出器ではプラスチックシンチレータ内でのニュートリノ反応はバックグラウンドになるため、厚さ 3mm の薄型のシンチレータ

7図 4: Side-MRD

を使用している。このためニュートリノ標的部分の体積がおよそ 80 ％を占めている。

4.2

Side-MRD

Side − MRD は WAGASCI 検出器の左右両サイドに設置するミューオンの運動量を測定する検出器である。建設中の写真を図 4 に示す。これはシンチレータ挿入後でエレキをマウントする前の状態である。
Side-MRD は 11 層の鉄層と 10 層のシンチレータ層を交互に並べてできる
サンドイッチ構造をしている。この Side-MRD は WAGASCI 検出器の左右両サイドにそれぞれ 50cm 離した位置に設置を予定しており、WAGASCI
検出器内で起こったニュートリノ反応によって生成されたミューオンのうち、大角度方向に飛んで来るものを観測することを目的としている。
観測されるミューオンはシンチレータ層を通るのと交互に鉄層も貫通する。その際、運動量の低いものは鉄層に止められるため、何層目まで到達したかを確認することで運動量の情報を得ることができる。
加えて、WAGASCI 検出器との間でヒットタイミングの差から荷電粒子の方向同定が可能であれば、これによってバックグラウンドとなる壁や床などで反応した粒子からのイベントを排除することが可能である。
Side-MRD にて使用するシンチレータの写真を図 5 に示す。
シンチレータは長さが 180cm、幅が 20cm、厚さが 0.7cm である。シンチ
レータには S 字に曲げられて波長変換ファイバーが埋め込まれており、両8図 5: Side-MRD 用のシンチレータ

端に MPPC が取り付けられるようになっているため、一枚につき 2ch 持っている。
また、Side-MRD ではシンチレータ層、1 層につき 8 枚のシンチレータを使用し、10 層あるため、1 台につき 80 枚のシンチレータを使用し 160ch持っている。2 台の Side-MRD を作るために使用するシンチレータの枚数
は 160 枚である。

4.3

Baby-MIND

Baby-MIND は WAGASCI 検出器に対してニュートリノビーム下流に設置予定の MRD である。
Baby-MRD は鉄層およびシンチレータ層によるビーム方向の高エネルギーのミューオンの運動量測定だけでなく、MIND（Magnetized Iron Neutrino
Detector）によって磁場をかけることで荷電粒子の電荷の正負を判別する役割も持っている。

9

DISCRIMINATOR

COINCIDENCE

Gate

Gate Generator

ADC

TDC

Signal
トリガーシンチ
SIDE-MRDシンチ
トリガーシンチ

MPPC×2

Amp
(×10)

Amp
(×10)

DISCRIMINATOR

Flash！！

暗箱の中

図 6: シンチレータ試験のデータ収集系

5

Side-MRD シンチレータの詳細試験

5.1

目的

Side-MRD にて使用されるシンチレータについて、CAMAC モジュールである ADC、TDC を使用して光量、時間分解能及び位置分解能について宇宙線を使った測定試験を行った。

5.2

SETUP

まず、シンチレータ試験のデータ収集系及び写真を図 6 及び図 7 に示
す。

5.2.1

使用機器

• MPPCMPPC(Multi-Pixel Photon Counter) は浜松ホトニクス社の製品で、ガイガーモード APD(アバランシェフォトダイオード) をマルチピ
クセル化したフォトンカウンティング (光子計測) デバイスである。
APD は逆電圧を印加することで光電流が増倍されるフォトダイオー

10図 7: シンチレータ及びトリガーシンチレータの配置図

ドである。この逆電圧を降伏電圧以上にして動作させると光量の大小によらず、光の入射によって素子固有の飽和出力を発生（ガイガー放電）する。この状態をガイガーモードと呼ぶ。。MPPC は、このガイガーモードの APD とクエンチング抵抗をあわせたものを 1 ピ
クセルとして、多数のピクセルを並べた構造をしている（図 8）MPPC のピクセルそれぞれがフォトンを検出した際に同じパルスを発生するため、MPPC からの信号はそれぞれのピクセルからのパ
ルスの総和となり、信号の電荷量 Q は

Q = C(Vbias − Vbr ) × N(4)で表される。ここで、C は 1 ピクセルの静電容量、Vbias は印加している逆電圧、Vbr は降伏電圧、N はフォトンを検出したピクセルの数である。
次に、MPPC の基礎特性について述べる。

– GainGain とは、1 ピクセルがフォトン 1 つを検出した際に発するパルスがどの程度増幅されたかを表す量であり、1 ピクセルが 1 フォトン検出した際に発するパルスの電荷量を q(= C(Vbias − Vbr ))とすると、
qGain =(5)e
ここで、e は素電荷である。
11

図 8: MPPC の構成– 降伏電圧（Break down voltage）
前述した印加する逆電圧で、APD がガイガーモードへと遷移するときの電圧である。この降伏電圧には温度特性があり、温度が高くなるとともに降伏電圧も上昇する。そのため MPPCを使用する際にはできるだけ温度変化の少ない状況が望まし
く、測定の際には温度計を確認しながらエアコンを使い部屋の気温に大きな変化が無いよう注意した。
– Dark CountMPPC は光を検出しない完全に遮光された状態でもパルスを発生することがある。このパルスをダークパルスと呼び、一秒あたりのダークパルスの数をダークカウントと呼ぶ。このダークパルスは信号とともに観測され形状にも変わりないため、検出誤差の原因となる。このダークパルスは熱的に発生するものであるため、周囲温度によって変化する。
– Cross talk
MPPC のピクセルが光子を検出してアバランシェ増幅を行う
過程で二次光子が発生し、この光子を他のピクセルが検出することによって 1 ピクセルから 2p.e. 以上のパルスが観測される事がある。この現象を Cross talk と呼ぶ。
– After Pulse
こちらも MPPC のピクセル内でアバランシェ増幅が行われる
際に、結晶欠陥などによってキャリアが捕獲されることがある。
12

その後、捕獲されたこのキャリアが放出されると、入射フォト
ンによるキャリアとともにアバランシェ増幅されアフターパル
スとして観測される。

• NIM モジュール– AMPLIFIER [FUJI DIAMOND INTERNATIONAL 0353t Octal PM Amplifier (×10)]
入力信号を増幅させるモジュール、今回使用したのは ×10 倍
させるモジュールを使用した。
– HI VOLTAGE [REPIC QUED HIGH VOLTAGE POWER
SUPPLY MODEL RPH-034]
高電圧を 4CH 出力できるモジュール、今回の実験ではトリガー用のシンチレータとして使用した NaI シンチレータに付随する光電子増倍管に高電圧をかけるために使用した。
– CLOCK GENERATOR [カイズワークス 100MHz CLOCK
GENERATOR KN271]
指定した周期、幅でデジタル信号を出力するモジュール。今回の実験では MPPC の Gain 測定の際に LED ドライバに入力する TTL、ADC の Gate 信号として使用した。
– GATE GENERATOR [カイズワークス DUAL GATE GENERATOR KN1500]
入力されたデジタル信号を指定した時間遅延させ、信号の幅を調節できるモジュール。今回の実験ではどの測定の際にもGate 信号のの遅延時間、幅を調整する目的で使用した。
– DISCRIMINATOR [カイズワークス QUED DISCRIMINATOR KN240]
入力したアナログ信号が指定した threshold（閾値）を超えたときにデジタル信号を出力するモジュール。GATE GENEATORや COINCIDENSE,TDC などのモジュールに NaI シンチレー
タや MPPC の信号を入力する際に使用した。
– COINCIDENCE [カイズワークス TRIPLE 4-FOLD 1-VETO
COINCIDENCE KN470]
指定した端子にデジタル信号が同時に入力された際にデジタル信号を出力するモジュール。今回の実験ではトリガー用の上下13図 9: オシロスコープで確認した NaI の信号に配置した NaI シンチレータからの信号が同時に来た際にデジタル信号を出力させるために使用した。

• CAMAC モジュール– ADC [LeCroy 12Ch ADC 2249W]入力された信号を Gate 信号が入力されている間で積分を行い、数値を PC に出力するモジュール。出力される数値の単位は ADC COUNT であり、0.25pC/ADC COUNT である。
– TDC [REPIC 8CH HR TDC RPC-061]
入力された信号が Gate 信号に対して遅れている時間を PC に出力するモジュール。出力される数値の単位は TDC COUNTである。
• NaI シンチレータ+光電子増倍管
シンチレータの性能測定の実験にてトリガー用のシンチレータとして使用した。シンチレータ内を荷電粒子が通ると発生する光を光電子増倍管で増幅させ、電気信号として出力する。実験に利用する宇宙線（ミューオン）の他にもバックグラウンドとなる γ 線などにも反応するが、信号の大きさが異なりミューオンが通過した際のほうが大きな信号を出す (図 9 はオシロスコープで確認した NaI の信号でミューオンと思われるもの)。このため、あとに通す DISCRIMINATOR ではおおよそ宇宙線にて到達できる 400mV を閾値とした。
14

図 10: 配線した NIM モジュール

5.2.2

SETUP

本実験では 2ch で測定を行うため、２枚の Side-MRD 用のシンチレータを平置きにし、上下のシンチレータで両端に互い違いになるよう MPPCを付けた。MPPC の信号は ×10 の Amp を通した後、２つの出力先のうちの１つはそのまま ADC に入力し光量の測定を行う、もう一方の出力先は再度 Amp を通し ×10 倍した後、DISCRIMINATOR へ入力しデジタル信号へ変換した後に TDC に入力し到達時間の測定を行う。
このとき、ADC および TDC の Gate 信号には、測定を行う Side-MRD 用のシンチレータの上と下に配置した NaI シンチレータ+光電子増倍管（トリガーシンチ）を使用している。トリガーシンチからの信号は DISCRIMINATOR を通してデジタル信号に変換した後、COINCIDENCE に入力
し上下のトリガーシンチレータで同時に信号が出た際にデジタル信号を出力する。その後この信号（Gate 信号）を GATE GENERATOR へ入力
し幅を 200ns にし、遅延時間を調整して MPPC からの信号が Gate 信号内に収まるようにした。そしてこの Gate 信号を ADC および TDC の GATE
端子へ入力した。
図 10 は実際に配線を行った NIM モジュールの写真である。

15

図 12: LED ドライバ
図 11: MPPC 読み出し回路

5.3

前実験

Side-MRD 用シンチレータの測定を行うにあたって、前もって MPPC
及び TDC についての試験を行った。

5.3.1

MPPC の Gain 測定

LED ドライバを用いて使用する回路、ADC と合わせて Gain-bias のデータを取った。
測定の際に得られるデータは ADC COUNT の単位で出力されるうえ、
MPPC には個性があり同じ印加電圧 (bias voltage) を加え、同じように光をうけても個々の MPPC によって信号の増幅率など違いがある。その為、前もって LED ドライバを使って LED を微弱に光らせ、数 p.e. の ADC
COUNT を見ることで各 MPPC の Gain を測定しておく。このとき、使用した MPPC 読み出し回路及び LED ドライバの回路図を図 11、図 12 に、
Setup の模式図を図 13 に示す。
図 12 の LED ドライバは図右上の bias の電圧値で LED の光量を調節
し、図左上の TTL 信号 (CLOCK Generator) の周期で LED を点灯させる回路である。
暗幕などをかぶせ、十分に遮光させた箱の中で LED と MPPC を向き合わせた状態で測定を行った。MPPC にかけた bias は 56V から 1V 刻みで60V まで上げて測定を行い、0p.e. と 1p.e. の間の間隔 A[ADC COUNT] を
16

TTL

Clock Generator

Gate Generator

Gate

LEDドライバ

ADC

MPPC
読み出し回路Amp(×10)

SignalFlash！！
箱の中

図 13: MPPC の Gain 測定における Setup

表 1: Gain vs bias 表
bias voltage [V] Gain(MPPC1) Gain(MPPC2)

2.34 × 106
3.34 × 106
4.08 × 106
4.74 × 106
5.32 × 106

56
57
58
59
60

2.33 × 106
2.85 × 106
3.40 × 106
3.92 × 106
4.41 × 106

読んだ後、式 6 より得た結果を表 1 に示す。そして表より横軸を MPPCにかけた bias voltage[V]、縦軸を Gain にとり、線形フィットを施したグ
ラフを図 14、図 15 に示す。
ここで、Gain を算出する際に以下の式を使用した。

Gain =

A × 0.25 × 10−12
10 × e(6)式 6 の 0.25×10−12 は使用した ADC の pC/ADC COU N T である。得られたグラフより、MPPC1、MPPC2 の Gain が一致する bias voltage(MPPC1
は 56.5V、MPPC2 は 57.0V) をそれぞれの MPPC にかけて Side-MRD シ
ンチレータの試験を行っていく。

17

3χ2 / ndf

5.811e+10 / 3

p0−3.84e+07 ± 2.553e+06

p1

7.305e+05 ± 4.401e+04

Gain

Gain

×10

5500

×10

3

χ2 / ndf

4500

1.014e+09 / 3

p0−2.689e+07 ± 3.373e+05

p1

5.22e+05 ± 5813

5000
4000
4500
3500

4000
3500

3000
3000
2500

2500

56

56.5

57

57.5

58

58.5

59

59.5
60
Bias_voltag[V]

56

56.5

57

57.5

58

58.5

59

59.5
60
Bias_voltag[V]図 14: MPPC1 の Gain vs bias グラフ 図 15: MPPC2 の Gain vs bias グラフ

5.3.2

TDC の測定

ADC と同様に TDC も出力されるデータは TDC COUNT という単位であり時間 [ns] への変換式を調べる必要があり、また、各チャンネルごとの oﬀ-set も不明であったため、合わせて調べる。
測定の際の Setup の模式図を図 16 に示す。この測定では Clock Generatorの 2 つの出力端子より片一方はそのまま TDC の Gate 端子へ入力し、もう一方は Gate Generator へ入力し任意時間遅らせた後に TDC の CH0 お
よび CH1 へ入力し、遅延させる時間を 100ns から 400ns まで 100ns 刻み
で変化させ、出力された TDC COUNT の値を記録した。
時間を遅らせる際の調整方法はオシロスコープで波形を目視で確認しな
がらポテンショメーターをドライバーで回して調整した。得られた結果を表にまとめたものが表 2 である。そして、このデータをプロットし、線形近似を施したものが図 17 および、図 18 である。
線形近似の結果より、oﬀ-set はそれぞれ CH0 は −163 T DC COU N T 、
CH1 は −172 T DC COU N T であり、ns/T DC COU N T は傾きの逆数で求められ、ns/T DC COU N T = 0.13ns/T DC COU N T が得られた。

18

CH0 signal
Gate Generator[delay 100,200,300,400ns]

CH1 signal

Clock Generator

TDC

Gate signal

図 16: TDC の測定における Setup

表 2: TDC COUNT vs delay time 表
delay time [ns] TDC COUNT@CH0 TDC COUNT@CH1

617.5
1370.52164.52931.5

TDC_COUT

χ2 / ndf
280.2 / 2p0−163 ± 14.5
p1
7.736 ± 0.05293

3000

595.5
1334.52115.52869.5

χ2 / ndf
294.3 / 2p0−172 ± 14.86
p1
7.603 ± 0.05425

TDC_COUT

100
200
300
400

3000

2500

2500

2000

2000

1500

1500

1000

1000

500

500
100

150

200

250

300

350

100

400
Delay_time[ns]図 17: ch0 の TDC count

150

200

250

300

350

400
Delay_time[ns]図 18: ch1 の TDC count

19

5.4

本測定

以上の前実験の情報を元に Side-MRD シンチレータの詳細試験を行った。まず、トリガー用の NaI シンチレータを Side-MRD シンチレータの中心に置いて行った測定によって得られた光量及び時間分解能のヒストグ
ラムを図 19 に、各パラメータを表 3、オシロスコープで得た画像を図 20に示す。図 20 において、赤色の信号が MPPC1、黄色の信号が MPPC2、緑色の信号が Gate 信号である。図 19 の左のヒストグラムが光量分布であり、青のヒストグラムが MPPC1、赤のヒストグラムが MPPC2、横軸は p.e. = ADC COU NAT −pedestal にて求めた (得られた ADC のデータがADC COU N T )。
右側のヒストグラムは左右の MPPC の信号到達時間の差のヒストグラムであり、このヒストグラムをガウスフィットして得られた σ が時間分解能であ2
ここで T1 , T2る。このヒストグラムの横軸は Dif f erence of time = T1 −T
2はそれぞれ MPPC1、MPPC2 で得られた TDC のデータを T DC COU N T
として T1 = (T DC COU N T +163)×0.13, T2 = (T DC COU N T +173)×0.13 にて求めた。単純に信号の到達時間を求める場合、T1 , T2 の平均をとっ2て T1 +T
を到達時間とするが、使用しているトリガーシンチレータのど2
こを通過してくるかというトリガーによるばらつきがあるため、T1 , T2 はそれぞれ T1,2 = Treal1,2 + Ttr で構成されているため T1 , T2 の差をとって2
Dif f erence of time = T1 −T
を横軸とした。トリガーシンチレータによ2
T1 −T22は中心の値が異なるが σ の値
る影響がない理想的な場合、 2 と T1 +T
2に変わりはなく、今回必要な情報は時間分解能である σ であるためこの値を採用した。MPPC1,MPPC2 それぞれの時間分解能を σ1, σ2 とすると、描画した Dif f erence of time の σ は、√

σ=

σ12 + σ22
σ1,2
≈ √
2
2

(7)

となり、1ch あたりの時間分解能の √12 となる。これは Side-MRD 用のシンチレータが両側読み出しのため、シンチレータ一枚あたり 2ch 分のデータが得られるためである。
得られた光量は左右どちらもおおよそ 20p.e. ほど (MPPC1:26p.e.,MPPC2:21p.e.)で時間分解能およびガウスフィットの平均値 (time) はそれぞれ σ = 1.45ns, time =0.22ns であった。これは後述する大量測定の際と大差ない値であった。
次に、トリガーシンチの位置の位置を変えて測定を行った。中心を 0cmとし、MPPC1 に近づく側を負方向、MPPC2 に近づく側を正方向として20

表 3: 本測定の SETUP パラメーター
MPPC’s bias voltage (right)
56.5V
MPPC’s bias voltage (left)
57.0V

1050V
400mV
200ns
300mV(1.5p.e.)
0cm(from center)

Number of counts/bin

Number of counts/bin

NaI scintillator’s voltage
DISCRIMINATOR’s threshold of NaI
Gate range
threshold of MPPC
Position of trigger scintillator

700

3500

600

3000

500

2500

400
2000
300
1500
200

1000

100

0

500

10

20

30

40

50

60

70

80

Number of p.e.

0
−15

−10

−5

0

10

15

Difference of Time[ns]図 19: トリガー位置中心の光量 (左) 及び時間分解能 (右)215図 20: MPPC の信号の画像@オシロスコープ

得られた結果 (光量、time、time resolution) を表 4 に示す。
また、これらの諸量 (光量、time、time resolution) を縦軸に、横軸をトリ
ガーシンチの位置にとってグラフにプロットした。(図 21 〜図 23) 図 21
はトリガーシンチの位置ごとに、MPPC1 を黒いプロット、MPPC2 を赤いプロット、それぞれの和を青のプロットで描画した。本試験ではきれいにトリガー位置中心にて光量の一致を確認することは難しかった。後述の大量試験の際の同様の測定では一度に４枚のシンチレータの両端で測定を行えるため、トリガー位置中心で光量のおおよその一致を確認することができた。このときと比べたズレの割合は MPPC1 が約 20% MPPC2が約 10%ほどであった。
図 22 は左右の信号の到達時間のズレを縦軸にトリガーシンチレータの位置を横軸に取ったグラフである。グラフの線形フィットの傾きよりシンチ
1
レータの長さで見た信号の伝播速度は v = 0.19
= 5.26cm/ns が得られた。
図 23 は時間分解能の値を縦軸、横軸をトリガーシンチレータの位置でプロットした。およそどの位置でも大きな変化は見られず同じような値を確認することができた。
上記の試験では全て TDC に入力する前の DISCRIMINATOR にて約
1.5p.e. の 300mV にて閾値を設定して測定を行っている。ここから、この閾値の値を変化させて時間分解能について同じ SETUP で測定を行った。
各閾値における時間分解能および全エントリー中の有用なデータの数の割合に加えて、図 22 にて得たシンチレータ内の信号の伝播速度をかけて

22

位置 [cm]

-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
+10
+20
+30
+40
+50
+60
+70
+80

表 4: トリガーシンチの位置に対する諸量
光量@MPPC1[p.e.] 光量@MPPC2[p.e.] time[ns]

55.0
47.0
39.0
36.0
35.0
33.0
32.0
28.0
26.0
26.0
25.0
22.0
21.0
20.0
19.0
17.0
15.0

13.0
14.0
14.5
16.0
17.0
18.0
19.0
20.0
21.0
22.0
25.0
26.0
28.0
31.0
32.0
38.0
44.0

23

-15.5
-13.4
-11.2
-9.82
-8.01
-5.92
-4.07
-2.11
-0.22
1.60
3.54
5.49
7.29
9.27
11.3
13.1
14.9

resolution[ns]
1.43
1.47
1.54
1.43
1.40
1.37
1.39
1.37
1.45
1.43
1.37
1.35
1.28
1.34
1.48
1.44
1.33

light_yield [p.e.]

70

60

50

40

30

20

−80

−60

−40

−20

0

20

40

60
80
position[cm]Difference_of_time[ns]図 21: シンチレータの光量 vs トリガーシンチの位置@詳細試験

χ2 / ndf
0.108 / 15
p0−0.2564 ± 0.02058
p1
0.1905 ± 0.0004201

15

10

5

0
−5
−10
−15
−80

−60

−40

−20

0

20

40

60
80
position[cm]

図 22: 時間 vs トリガーシンチの位置@詳細試験24

time_resolution[ns]

1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

−80

−60

−40

−20

0

20

40

60
80
position[cm]

図 23: 時間分解能 vs トリガーシンチの位置@詳細試験

位置分解能を求めて記録した表を表 5 に示す。
表 5 より、閾値を下げるに連れて幅の狭い時間分解能を得ることができた。このことは ADC のによる光量が同じでも縦 (電圧) に大きい信号と時間的に広い信号があり、これらの場合閾値が高いと掛かる位置にズレが出るため、閾値が高いと時間分解能も広くなると考えられる。また、ここで低い閾値 (100mV など) でも 5%ほどロスが確認されている。これはNaI シンチレータにかけている DISCRIMINATOR の閾値に対してとても大きい信号が得られ、波形の後ろ側のノイズ部分が閾値にかかり一回の宇宙線通過に対して二回測定を行い空のデータなどが得られたのではないかと考えられる。また、本測定においても Gate GENERATOR による Gate 信号の遅延時間の調整はオシロスコープによる画面の目視確認による調整なので Gate 信号よりも先に MPPC の信号が入る可能性もあり、この場合もこのロスに含まれる。

25

表 5: 閾値に対する時間分解能および位置分解能閾値 [mV](p.e.) 時間分解能 [ns] トリガー効率 位置分解能 [cm]500(2.5)400(2.0)300(1.5)200(1.0)100(0.5)

2.19
1.81
1.50
1.29
1.15

0.91
0.94
0.95
0.95
0.95

26

11.5
9.52
7.89
6.79
6.05

6

Side-MRD シンチレータの大量測定

6.1

目的

Side-MRD に使用するシンチレータの予備を含めた 324 枚について CAEN
製の波形記録モジュール (digitizer) を用いて光量について測定を行った。
また、digitizer を用いてトリガーシンチレータの位置を変えた光量の変化も確認した。

6.2

SETUP

SETUP の模式図を図 24 に示す。
測定方法はおおよそ前述の詳細試験のときと同じであるが、異なる点はdigitizer [CAEN digitizer DT5742] を使用した点と、一度に測定する枚数が異なる点が大きい。
digitizer はトリガー信号が入ったタイミングから 200ns の間の入力信号の波形を記録するモジュールである。記録した波形のデータを元に光量、時間を詳細試験の際の ADC 及び TDC を使用して得たのと同様の情報を得ることができる。得られた波形の例を図 25 に示す。
光量に関しては得た波形を 200ns の区間で積分してデータを得た。
時間はイベントごとに波形のピークの値の 10%を閾値として、閾値前後のピクセルの平均を到達した時間として記録した。
（この digitizer では記
録した 200ns の間を 1023 このピクセルで分割して記録されている。）
使用した digitizer は 16ch 持っていたが、暗箱の大きさ等の都合より一度に 8ch 使用して４枚のシンチレータに対して両端に MPPC を装着して測定を行った。

27

digitizer

Gate

Signal

トリガーシンチ

Side-MRDシンチレータ
Side-MRDシンチレータ
Side-MRDシンチレータ
Side-MRDシンチレータ

トリガーシンチ

図 24: SETUP の模式図@大量測定

waveformqdc1
waveformqdc1

500

Entries5.318861e+07

Mean

425

Std Dev

261.4

400

300

200

100

0
0

200

400

600

800

1000
Time[sample]

図 25: digitizer にて得られる波形データ28

Number of counters /binstatus
Entries
324
Mean
39.88
4.133
Std Dev

10

8

6

4

2

0

30

35

40

45

50

L.Y._sum [p.e.]

図 26: シンチレータそれぞれの両端の光量の和のヒストグラム

6.3

測定結果

まず、図 26、図 27 に測定を行った Side-MRD 用のシンチレータ 324 枚の光量について、それぞれ両端の和、両端の光量の差を和で割ったもの
を横軸に取ったヒストグラムである。図 27 について、使用しないものと判断したシンチレータを赤で塗りつぶした。
324 枚全てのシンチレータを測定するため、少ないイベント数（およそ 100）で測定を行いペデスタルを省いた部分で平均を取りファクター (K=0.77)
をかけてピークを求めた。このファクター K は前もってピークを確認できる大きいイベント数でピーク値とペデスタルを省いて求めた平均値とを比べて求めたものである。
図 26 よりおおよそ多数のシンチレータの光量は両端足し合わせて 40p.e.
であり、片側では 20p.e. ほどであった。
図 27 より、横軸で 0.25 の位置に明らかに両端で光量に差があるものが 2枚ほど確認できた。これら 2 枚は両端で光量が p.e. で 10 程度差があり、ズレが大きすぎると判断し実際に Side-MRD に使用しないものとした。
原因としてはこれら 2 枚は運搬、保管の際使用されていた木箱に隙間なくシンチレータが詰められていたため、取り出す際ファイバー等に傷が入ったりしてしまったのではないかと考えられたため、4 つの木箱から 1枚ずつ排除することにした。
これより、使用可能なシンチレータは 320 枚であり、2 台の Side-MRD の建設に必要な 160 枚を確保できた。
次に、大量測定の SETUP でトリガーシンチレータの位置を変えて測29

Number of counters /binstatus
EntriesMean
Std Dev

25324
0.003294
0.04464

20

15

10

5

0
−0.15

−0.1

−0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2
0.25
0.3
L.Y._Assym[p.e.]

図 27: シンチレータそれぞれの両端の光量の差/和のヒストグラム定を行った、この際 Side-MRD のシンチレータは変えずに 4 枚のシンチ
レータの両端 8ch 使用した。シンチレータの位置は前述の詳細試験と同じように 10cm 刻みでずらし、イベント数もピークを確認できる比較的大きなイベント数で測定を行った。
測定によって得られたトリガーシンチレータの位置に対する光量のグラ
フを図 28 に示す。図 21 と同様に MPPC1 側の 4ch の平均を黒いプロッ
ト、反対側の 4ch の平均を赤いプロットで描き、両端の和を青いプロットで書いた。前章で述べたように、詳細試験の際のプロット比べて中心で左右のプロットが近い値を確認することができた。これは片側を複数 chで測定できたためよりきれいなプロットが得られたのだと考えれる。

30

light_yield[p.e.]

45
40
35
30
25
20
15
−80

−60

−40

−20

0

20

40

60
80
position[cm]

図 28: シンチレータの光量 vs トリガーシンチの位置@大量測定

31

7

WAGASCI シンチレータの性能測定

7.1

目的

WAGASCI 検出器のシンチレータの時間分解能を測定し、Side-MRDのシンチレータの時間分解能と比較して方向同定が可能であるかを確認
する。

7.2

方法

詳細試験と同様の SETUP(図 6 の Side-MRD シンチレータが WAGASCIのシンチレータに変わるだけ) で上下に NaI シンチレータではさみ WAGASCI のシンチレータについて測定を行った。測定の際の SETUP パラ
メーターを表 6、測定の際の写真を図 29 に示す。WAGASCI シンチレー
タは片側の端からファイバーが伸びておりその端に光学接着剤を使いコネクタを付ける。
その際、余ったファイバーの先端はニッパーで切った後フィルムヤスリ
をかけて磨いた。
測定は 2ch で二枚の WAGASCI シンチレータを重ねて置き、両端からファイバーの伸びているように並べた。WAGASCI シンチレータは Side-MRD
シンチレータに比べてとても細いため、NaI シンチレータを WAGASCIのシンチレータに対して垂直に置くと余剰部分がとても多くなってしまうと考えたため、上に乗せる NaI シンチレータを WAGASCI シンチレー
タに垂直に、下に置く方を平行になるように置き、WAGASCI のシンチ
レータの中心で交差するようにしてセッテイングした。また、WAGASCI
シンチレータのファイバーの伸びていない側からも少しファイバーが露出していたため暗幕の切れ端を噛ませて塞いだ。

32

表 6: WAGASCI シンチレータの測定の SETUP パラメーター
MPPC’s bias voltage (right)
56.5V
MPPC’s bias voltage (left)
57.0V

NaI scintillator’s voltage
DISCRIMINATOR’s threshold of NaI
Gate range
threshold of MPPC
Position of trigger scintillator

1050V
400mV
200ns
100mV(0.5p.e.)
0cm(from center)

図 29: WAGASCI シンチレータの測定の様子

33

Number of counts/bin

Number of counts/bin

4000

1000

3500

800

3000

2500
600
2000

400

1500

1000
200
500

0
10

20

30

40

50

60

70

80

Number of p.e.

0
−15

−10

−5

0

5

10

15

Difference of Time[ns]図 30: WAGASCI シンチレータのトリガー位置中心の光量 (左)、時間分
解能 (右)

7.3

結果

測定によって得られたヒストグラムを図 30 に示す。左図のヒストグラムの横軸は図 19 と同様に p.e. = ADC COU NAT −pedestal であり、赤が MPPC1、青が MPPC2 の光量の分布である。左右でおおよそ光量は一致しており約
13p.e. ほどであった。右図の横軸は、詳細試験の際は T1 = (T DC COU N T +163)×0.13, T2 = (T DC COU N T +173)×0.13 と置き、Dif f erence of time =T1 −T2を横軸にしたが、WAGASCI のシンチレータはシンチレータ一枚に2√
つき 1ch であるため Side-MRD 用のシンチレータの際の式に 2 をかけ
2
た Dif f erence of time = T1√−Tを横軸にとった。ヒストグラムより、
2
WAGASCI のシンチレータの時間分解能は σ = 1.95ns であった。

34

8

ヒット時間による荷電粒子の方向同定能力

5 章の Side-MRD シンチレータの詳細試験及び、7 章の WAGASCI シ
ンチレータの測定より二種のシンチレータの時間分解能を得た。これら
より WAGASCI 検出器及び SIde-MRD にてミューオンの方向同定が可能であるか確認する。つまり、Side-MRD にて観測されたミューオンのイベ
ントが WAGASCI 検出器で反応し観測された後に Side-MRD に向かって飛んできたものであるか確認できるか否かということであり、双方の時間分解能が WAGASCI 検出器から Side-MRD へミューオンが飛ぶまでの時間を判別できれば可能であるといえる。
WAGASCI 検出器から Side-MRD までミューオンの飛ぶ時間を概算する。
ミューオンの速度はおよそ光速と同じであり v = 3.0 × 108 m で扱う。
WAGASCI 検出器のサイズは 1m × 1m × 0.5m で、WAGASCI 検出器から Side-MRD までの距離は 0.5m を想定しているので、WAGASCI 検出器
中心でシンチレータにヒットしたと仮定し、Side-MRD に向かってまっす
ぐ飛んできたときを考えると、その時のミューオンの飛行距離はおよそ
1m
1m となる。よって、ミューオンの飛行時間は τ = Lv ≈ 3.0×10
8 m ≈ 3.3nsと見積もることができた。
これより、図 19 及び図 30 の時間分解能のヒストグラムを WAGASCI シ
ンチレータのデータに対して Side-MRD 用シンチレータのデータを 3.3ns
遅らせた位置に並べて描いたヒストグラムが図 31 である。
図 31 を書く際、それぞれのデータ数が異なるため、データのエントリーに対して WAGASCI シンチレータのデータと Side-MRD 用のシンチレー
タのデータを 2:3 で重み付けして描画した。
このヒストグラムより重なっている部分を数え、全エントリー数で割った数で 1 を引くと、重なっていない部分のイベントの割合が得られる。SideMRD,WAGASCI のデータについてそれぞれ求めて、かけることでどちらも重ならずににイベントが得られる割合、つまり方向同定が可能である割合が得られる。使用した式を式 8 に示す。ここで、EntryS−M RD , EntryW GS
がそれぞれのデータの全エントリー数、Eover,S−M RD , Eover,W GS はそれぞれのデータの内お互いのヒストグラムに重なっていたデータの数である。
PDI = (1 −Eover,S−M RD
Eover,W GS) × (1 −)EntryS−M RD
EntryW GS(8)

これより、得られた割合は 0.6966 であり、約 70% の通過した荷電粒子に対して方向同定が可能であることがわかった。

35

Number of counts/bintime resolution @WGS

time resolution @S-MRD

Entries 18826
Mean 0.3208
RMS
2.132

Entries 11883
Mean
2.931
1.379
RMS

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0
−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

Difference of Time[ns]図 31: Side-MRD 及び WAGASCI のシンチレータの時間分解能の比較

しかし、これは WAGASCI 検出器および Side-MRD にそれぞれ 1hit のみ残した場合であり、実際にニュートリノイベントの候補として選ばれる
イベントは WAGASCI 検出器および Side-MRD で複数回 hit を残すことになる。N 回 hit した際の時間分解能 σN は 1hit した際の時間分解能 σ1 に1
対して σN = √σNの精度向上が期待できる。
ここで、WAGASCI 検出器、Side-MRD でそれぞれ 3 回ヒットしたと仮定したときのヒストグラムを図 32 に示す。それぞれの横軸の値 Dif f erence of timeについて √13 でヒストグラムを描いた。
1hit の際と同様に計算を行うと、0.8430 であり、約 85% のイベントで方向同定が可能なことがわかった。

36

Number of counts/bintime resolution @WGS

10000 Entries

Mean
RMS

time resolution @S-MRD

18826
0.2126
1.389

Entries 11883
Mean
3.139
0.872
RMS

8000

6000

4000

2000

0
−8

−6

−4

−2

0

2

4

6

8

Difference of Time[ns]図 32: Side-MRD 及び WAGASCI のシンチレータの時間分解能の比較(3hit)

37

表 7: 得られたシンチレータのデータ
光量 (S-MRD)
20p.e.
光量 (WGS)
13p.e.
時間分解能 (S-MRD)σ
位置分解能 (S-MRD)σx
時間分解能 (WGS)σ
方向同定能力9

1.45ns(閾値 1.5p.e.)
1.15ns(閾値 0.5p.e.)
7.63cm(閾値 1.5p.e.)
6.05cm(閾値 0.5p.e.)
1.95ns(閾値 0.5p.e.)
0.697 (1hit)
0.843 (3hit)

結論

詳細試験、大量試験の結果より、宇宙線のミューオンが中心にヒットした際の Side-MRD 用シンチレータの光量はおおよそ 20p.e. であった。時間
分解能については、閾値を 1.5p.e. の際 σ = 1.45ns であり、位置分解能は
σx = 7.63cm であった。閾値を 0.5p.e. にすると時間分解能は σ = 1.15ns
であり、位置分解能は σx = 6.05cm である。また、WAGASCI のシンチ
レータについては光量は 13p.e. ほどで、時間分解能は σ = 1.95ns であった。
これらのデータを元に求めた、WAGASCI 検出器と Side-MRD 間のヒッ
ト時間によるミューオンの方向同定能力は、それぞれの検出器で 1hit ず
つの場合約 70% のイベントに対して方向同定が可能であり、それぞれの検出器で 3hit ずつを仮定した場合 85% のイベントで方向同定が可能であることがわかった。
得られたこれらのデータを表 7 にまとめた。

38

10

謝辞

本研究を進めるにあたって、ご助力くださった方々にこの場を借りてお礼申し上げます。
指導教官の南野彰宏准教授には、ミーティング、授業等お忙しい中にもかかわらず様々なご指導賜りました。ノイズ対策の際には現場にて具体的な策も教えていただきました、深く感謝申し上げます。
T2K 共同研究者の INR の Oleg,Nikolay には大量測定の際に加えてその後のアドバイスまで、未熟でした自分に様々なことを教えてくださり、大変貴重な経験をいただきました。
同じく共同研究者の大阪市立大学の田中さん、久木田さんは、大量測定の際から使用している暗箱の作成を主導してくださり、その後の実験にも使用させていただきましてここに感謝の意を表します。
研究室の同期の山口さん、淺田くん、松下くんとは、実験の話から日頃の他愛ない会話まで、今年から発足した研究室なので先輩もおらずわからないことも多い中、楽しい一年間を過ごすことができました。
いろいろな人関わり、様々なことを学ぶことができ、とても濃い一年間
でした。

39

参考文献
[1] T2K 実験 ホームページ

http://t2k-experiment.org/ja/[2] 浜松ホトニクス MPPC カタログ40