1127■ 談話室Ozaki Exchange Program 2023 活動報告
東京大学 宇宙線研究所

三木 信太郎smiki@km.icrr.u-tokyo.ac.jp
2023 年 (令和 5 年) 10 月 4 日

はじめに

1

私は日米科学技術協力事業 Ozaki Exchange Program

2023 に参加し，2023 年 6 月 25 日から 8 月 31 日までアメリカカリフォルニア州の SLAC National Accelerator

Laboratory に滞在し研究をおこなった。期間中は，アメリカで建設予定の長基線加速器ニュートリノ振動実験である Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)に関わり，前置検出器において用いることが検討されているキャリブレーション手法の確立に携わった。

活動内容

2
2.1

レーザーキャリブレーションの概要

DUNE の前置検出器は，複数の検出器を組み合わせて生成直後の加速器ニュートリノの状態を測定することを目的としており，その中核となるのが Near DetectorLiquid Argon TPC (ND-LAr) である。ND-LAr は 1 ×1 × 3 m3 の大きさの液体アルゴン TPC を 7 × 5 個並べて全体で 7 × 5 × 3 m3 の検出器となる計画で，DUNEの後置検出器と同じ原理で動作する液体アルゴン TPCであることから，ニュートリノ振動実験での系統誤差の削減が期待される。

TPC 検出器においては，液体アルゴン中で生成した電離電子を，ドリフト軸に垂直な方向に拡散・変位させることなく電荷読み出し部までドリフトさせその位置を測定することが，正確な事象再構成のために重要である。これには，電場の一様性，カソード・アノードの位置のずれや傾きが関係するが，位置の正確に分かった十分小さな電子源からの電子を実際に観測することによって，最終的に必要な量である電子の拡散・変位量を直接キャリブレーションすることができる。このような電子源として，カソードに取り付けた金属片にレーザー光を照射して放出される光電子を用いることが検討されており，レーザーキャリブレーションと呼ばれて

図 1: レーザーキャリブレーションの概略図。カソードに取り付けた金属片から出る光電子を観測することで，TPC 中での電子の拡散・変位量をキャリブレーションする。

いる（図 1）。そこで私は，金属片から十分な量の光電子が得られるかを見積もるための，金属片の量子効率(Quantum eﬃciency, QE) の測定，および，液体アルゴン TPC 中での電子寿命の測定をおこなった。

2.2

量子効率実験の測定実験

量子効率測定の主な目的は，

1. レーザーキャリブレーションにおいて十分な量の光電子が得られるかの見積り

2. 金属片の酸化や不純物の付着による量子効率の時間変化の把握

3. 異なる種類の金属片での量子効率の比較の 3 つである。3. については，アルミニウム板，亜鉛板，TPC 壁面の素材に溶融アルミニウムを噴射コーティングしたものの 3 種類を比較した。

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図 2: 量子効率測定のセットアップ。左：概略図，右：実際のセットアップ（内側が見えるようナットを緩めている）。測定時は装置全体を真空容器に入れる。

2.2.1

測定方法

図 2 に測定をおこなったセットアップを示す。事前にSteﬀen Luitz 氏が作成したセットアップをもとに，プログラムの滞在期間中に，サンプル位置の再現性，サンプル交換の容易さ，光量見積りの精度をそれぞれ向上させるため改良をおこなった。測定は約 1 × 10−3 Torr の真空容器中で行い，UV-LED（波長 275 nm，パルス光量 82 mW，パルス幅 100 µs）をアノードの中央からサンプルに照射し，生じた光電子をアノードに印加したバイアス電圧で収集する。電荷の読み出しはサンプルを設置したカソード側から行い，charge sensitive amplifier(CSA) で積分した波形をオシロスコープで記録した。

得られた信号波形の一例を図 3 に示す。LED 光を照射している 0 − 100 µs の範囲で積分波形が直線に近くなっている。ただし，CSA の放電時定数 τ = 140 µs がパルス幅に対して無視できないため，わずかに下に凸の波形となっている。また，LED のオン・オフに伴い LEDの電流が大きく時間変化する 0, 100 µs ではクロストークノイズが見られる。

光電子の生成による信号波形の傾き A [mV/µs] を求めるため，波形のフィッティングをおこなった。CSA の

出力電圧 V (t) [mV] は，CSA の放電時定数 τ を用いて1dV (t)= −A − V (t)
dt
τ

(1)

V (t) = (Aτ + C)e−t/τ − Aτ(2)を満たすので，t = 0 における V の初期値を C としてと表される。τ は既知の値に固定し，A, C の 2 変数をパラメータとして波形をフィットした結果が図 3 の赤線である。

A は光電子の放出による電荷生成のレートを表し，これに LED の照射時間 100 µs をかけ既知のアンプによる増幅率を補正することで，この間の光電子生成数が求められる。

一方，サンプルに照射された光子の数は，パルスのエネルギーおよび LED の放射パターンから計算され，以図 3: 得られた信号波形（青データ点）とフィット結果（赤線）。0 − 100 µs で LED 光を照射し，10 − 90 µs の範囲でフィットをおこなっている。この波形の場合，光電子の生成量に対応する波形の傾きは A = 4.94 mV/µs，

100 µs 間での生成光電子数は 7.5 × 105 ，得られる量子効率の値は 1.8 × 10−7 である。

上の光電子の数と光子の数の比として量子効率が得られる。

2.2.2

時間変化の測定

光電子源として金を用いた場合，空気中では水や炭化水素が金表面に吸着されることにより，時間とともに量子効率が変化することが報告されている [1]。今回用いたアルミニウムや亜鉛のサンプルにおいても，サンプルを長時間放置した場合の量子効率の変化を観察した。

サンプル表面に吸着した物質や酸化層を落とすため紙やすりで表面研磨を行い，その後の量子効率の変化を観察した（図 4）。空気中で放置した 3 つのサンプルについては，経過時間の約 −0.5 乗に比例して量子効率の低下が見られた。一方，真空中に放置したサンプル（図 4中の S3）では量子効率の低下が緩やかになることが確認された。

表面研磨を行う前の各サンプルの量子効率も図 4 に合わせて示す。研磨前の時点で，サンプルは少なくとも1ヶ月間（720 時間）空気中に放置された状態であったた

め，十分長い時間の経過後には量子効率は研磨前の値に収束すると予想されたが，実際には研磨前の値を下回ってもなお量子効率の低下が見られている。

続いて，窒素ガス充填下での量子効率の時間変化の観察をおこなった。サンプルの表面研磨と測定セットアップへの取り付けを含め，実験全体を窒素ガス充填下で行えるよう，真空容器の一部を覆うグローブボックスを作成した。グローブボックス内には酸素濃度計，湿度計を設置し，実験作業中には酸素濃度は 5%以下，湿度は 3%3129以下に保たれることを確認した。このグローブボックスを用いて，窒素ガス充填下でのサンプル表面研磨後の量子効率の時間変化を測定した結果が図 5 である。サンプ

ル B1 のみ変化が小さいが，その他 4 つのサンプルでは似た変化が見られた。これらのサンプルでの時間変化の指数は −0.3 前後であり，空気中にサンプルを置いた場合よりも緩やかで，真空中での場合に近い量子効率の変化である。

以上の測定結果より，金属片を真空中もしくは窒素ガス中に置いた場合には量子効率の低下が空気中と比べて抑えられることがわかった。また，アルミニウム板，亜鉛板，アルミニウムをコーティングした TPC 壁面素材の 3 種類のサンプル間で，量子効率の絶対値および低下の仕方に差異は見られなかった。

図 4: サンプルの表面研磨後の量子効率の時間変化。TPC

壁面素材にアルミニウムをコーティングしたサンプル 2つ (S3, S4) およびアルミニウム板，亜鉛板についての測定値。S3 は表面研磨を空気中でおこなった後，真空中に放置した。その他のサンプルは，真空中での測定時を除き空気中に放置した。水平線は対応する色のサンプ
ルの表面研磨前の量子効率の値。点線はサンプルごとのQE = A tidx によるフィット結果で，指数 idx のベストフィット値を付記している。

レーザーキャリブレーションにおいて観測される光電子の個数については，量子効率を 10−6 とした場合に金属片 1 個あたり 1.4 × 104 個程度と期待される。現在

SLAC で前置検出器の研究開発に用いられている液体アルゴン TPC では，トリガー閾値が 4 × 103 電子相当程度なので，レーザーによる光電子雲の観測は可能だと期待できる。しかし，表面研磨後数日が経過した金属片では量子効率が低くなり十分な光電子が生成しない可能性があり，レーザー光の光量密度を上げるなどの改善が試みられている。

2.3

TPC 中での電子寿命の測定

液体アルゴン TPC では，液体アルゴン中で生成した電離電子を電場でドリフトさせ収集するが，液体アルゴン中に残る不純物に電子が捕獲されることで，観測される電子の数はドリフト時間とともに少なくなる。電子がどの程度の時定数で減少するかは，レーザーキャリブレーションにおいて発生した光電子のうちどれほどの割合を観測できるかを見積もる際に必要となるほか，将来の物理ランにおいては入射粒子のエネルギー等を再構成するために重要なパラメータとなる。そこで私は量子効率の測定と並行して，TPC 中での電子の寿命（減少時定数）の測定手法の開発をおこなった。

図 5: サンプルの表面研磨後の窒素充填下での量子効率の時間変化。TPC 壁面素材にアルミニウムをコーティングしたサンプル 5 つについての測定値。S で始まるサンプルと B で始まるサンプルは製法がわずかに異なるが，量子効率の値に差異は及ぼさないと期待される。点線はサンプルごとの QE = A tidx によるフィット結果で，指数 idx のベストフィット値を付記している。

SLAC には前置検出器の研究開発のための 30 cm 立
方の大きさの液体アルゴン TPC があるので，その検出器で昨年夏に取得されたデータを題材に電子寿命を測定した。この検出器はアノードが 4 mm 四方のピクセルに分割され，各ピクセルに入射した電子の電荷量と到達時刻をピクセルごとのセルフトリガーで記録する。用いたデータは，粒子線源等を何も用いず取得したデータで，観測されるヒットは宇宙線ミューオンに由来するものかピクセルに生じるノイズかのいずれかである。このうち宇宙線ミューオンのトラックを用いて電子寿命を測定し

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図 6: 宇宙線ミューオンのトラックを用いた電子寿命測定法の概略図。トラックを長さ 30 mm のセグメントに分割し，各セグメントでの飛程あたりの観測電荷量 dQ/dxとドリフト時間を図 8 のようにプロットする。
た（図 6）。

まず，解析に用いるミューオントラックを，以下の 3条件を満たすものとして選別する。

図 7: TPC に入射する宇宙線ミューオントラックの例。
3 と○4 は区別でシンチレーション光検出器がないため○きず，電子寿命の測定には使えない。アノードを通過す1 や○
2 のようなトラックを選択する。なお，粒子のる○
走る向きは同定できない。

1. トラックを構成するヒットが直線をなす。

2. ドリフト方向に射影したトラック長が 250 mm 以上である。

3. トラックがアノードを通過する。

1. は，トラックを構成するヒットの 3 次元位置に対して主成分分析を行い，第 1 成分（トラックの長さ）と第 2成分（トラックの太さ）の比が 50 以上であることを要請する。2. はカソード付近で生成された電離電子を多く用いるための条件である。ドリフト距離が長く減衰割合の大きいヒットを多く用いることで，後で行うフィットの精度を上げる目的がある。3. はミューオンの通過時刻 t0 を決めるために必要な条件である。今回用いた

TPC は，シンチレーション光を検出するための光検出器を備えておらず，ミューオンの通過時刻がわからない

ため，トラックのドリフト方向の絶対位置は決定できな
3 と○4 ）。一方で，トラックがアノードを通い（図 7 の○

図 8: 2022 年 7 月 31 日に取得したデータでの，セグメントのドリフト時間に対する dQ/dx 。赤点線は指数関数によるフィット結果で，電子寿命が 180 µs となる。

れる電荷量がドリフト時間に対して指数関数的に減少する様が見られる。

この分布を指数関数 A exp(−t/τ ) で A，τ をパラメー過していれば，最も早く観測されたヒットを近似的に t0タとしてフィットすることによって，電子寿命 τ が求ラックを選ぶため，最初のヒットがアノード板の縁ではに対する変化は図 9 のようになる。SLAC の TPC ではとして用いることで，後続のヒットのドリフト時間や絶1 や○2 ）。このようなト対位置を決められる（図 7 の○ない内側のピクセルで観測されたという条件を課した。
選ばれたトラックを長さ 30 mm のセグメントに分割し，各セグメントに属するヒットの観測電荷量の和をセグメントの長さで割った値 dQ/dx を計算する。ただし，それぞれのセグメントに対し再度主成分分析を行い直線性の低いセグメントは除去した。ある 1 日間で観測された 416 本のトラックに対し， dQ/dx をドリフト時間の平均値に対してプロットしたものが図 8 である。観測さまる。

このようにして測定した電子寿命の，データ取得日時

液体アルゴンの循環純化システムがなく，液体アルゴンの純度が時間とともに悪化することから，電子寿命も時間とともに短くなっている。

今年の秋には実際にアルミニウム片を SLAC のテス

ト TPC に設置してレーザーを照射するレーザーキャリブレーションの試験が行われる予定である。金属片からの光電子生成量などをこの試験で測定するためには電5131

お世話になりました。Yun-Tse Tsai 氏，Steﬀen Luitz氏ほか，SLAC ニュートリノグループおよび DUNE 前

置検出器キャリブレーショングループの皆様は，実験について一から親身に教えてくださったり毎週のミーティングで時間をかけてコメントをくださったりしました。
前述のように研究以外の面でも親しく交流していただ
き，楽しく 2ヶ月間を過ごすことができました。

参考文献[1] Gerald Hechenblaikner et al., J. Appl. Phys. 111,
図 9: 2022 年夏に取得した TPC データでの電子寿命の変化。

子寿命の値が不可欠であり，今回開発した手法により電子寿命を即座に算出し試験データの解析が行えると期待する。

3

研究外の活動2ヶ月余りの滞在期間中，SLAC ニュートリノグルー

プの皆さんおよび同時期にグループに参加していたサマースチューデントの学生たちとは，研究活動以外の面でも様々に交流することができた。SLAC 周辺の様々な飲食店にも連れていってもらったが，トルコ料理，パキスタン料理，おにぎり専門店などもあり，日本を含む世界中の多様な国の食文化が入り混じっていることを実感した。

ニュートリノグループの十数人でセコイア国立公園に2 泊 3 日のキャンプに行ったことは，特に大きなイベントとして印象に残っている。木々が点在する乾燥地帯や岩がちな山などカリフォルニアらしい自然を楽しみつつ，長時間生活を共にしさらに親睦を深めることができた。
また私が普段行っているスーパーカミオカンデでの研究についても 1 時間程度話すセミナーの機会をいただ

き，双方向の研究交流を持てたのは良い経験となった。

4

謝辞

今回の渡航にあたっては，事務的な面でも研究活動の面でも数多くの方にお世話になりました。指導教員である塩澤眞人教授にはプログラムへの応募前から渡航先や研究内容の選定について相談に乗っていただきました。
受け入れ教員の Hirohisa Tanaka 氏には，物理の議論や研究の進展状況を気にかけていただいただけでなく，宿泊先の紹介や食事の誘いなど生活全般にあたっても大変

124914 (2012).