筑波大学大学院博士課程
数理物質科学研究科修士論文

 実験における衝突実験のための衝突検出器の設計と開発

鶴岡裕士
年 月

筑波大学大学院博士課程
数理物質科学研究科修士論文

 実験における衝突実験のための衝突検出器の設計と開発

鶴岡裕士（物理学専攻）
指導教官

三明康郎



概要
 年に米国ブルックヘブン国立研究所の  加速器（     ）において、世界最高エネルギーとなる   での金  金原子核衝突が行われた。 を用いた実験の一つに  実験がある。 実験は高エネル

ギー重イオン衝突で生成される光子、レプトン、ハドロンを同時に測定することにより、

クォークやグルーオンが核子の閉じ込めから開放された状態、すなわちクォーク グルーオン プラズマ（）のシグナルを多種多様なプローブを用いて検出し、その性質を系統的に研究することが目的である。特に、ハドロンは衝突系におけるハドロン間の相互作用を経た後に検出器に捕らえられるため、衝突系の膨張や粒子生成時の温度などの基本的かつ重要な情報を含んでいる。
高エネルギー重イオン衝突に固有な現象を明らかにするには、同一エネルギーにおける

陽子 陽子衝突などとの系統的比較が重要である。そのため、 年  月より  ヶ月間

にわたって、陽子 陽子衝突実験が行われた。ここで、 実験の既存のトリガー装置（   、以下  とする）は、陽子・陽子衝突には適さないという問題が発生した。 は粒子密度の高いビーム軸方向の粒子を捕らえることによって事

象選択を行うのだが、金 金原子核衝突に比べ、陽子 陽子衝突では粒子多重度が遥かに小さいために、高エネルギー重イオン衝突では幾何学的断面積のほぼ  ％を検出できるが、陽子 陽子衝突においては半分程度しか事象選択できないからである。 ! という陽子 陽子衝突を再現するシミュレーションによると、 ではハドロン測定の際、粒子多重度の小さな  を逃してしまうことが分かった。そのため、収集されるデー
タに偏りを持つ可能性があり、我々が目指す系統的比較には不適である。また、ハドロンの粒子識別に必要な飛行時間測定の開始時間測定の時間分解能も不十分である。そのため

に、陽子 陽子衝突専用のトリガー兼スタートタイミング装置が必要となった。



本研究では、陽子 陽子衝突におけるハドロン識別 測定専用のトリガー兼スタートタイミング装置（"  #  、以下 "# とする）の設計 開発を行った。

"# は、設置場所の関係上長さ  のプラスチックシンチレーターを使用し、時間分解能を良くするためにシンチレーターを光電子増倍管で挟んだ両読み型飛行時間測定器にした。
まず、光学的モンテカルロシミュレーションによりプラスチックシンチレーター及びライトガイドの形状の設計を行った。光収集効率及びタイミングの最適化により、長さ  のライトガイドと長さ  厚さ   のシンチレーターを組み合わせれば、 $%&の時間分解能を達成できることが分かった（ 年 $ 月）。
次に、"# が設置される場所は、'() &&* 程度の高磁場がかかっているため、高磁場
用 + 

&, 型光電子増倍管（-./0 0 0"12）の磁場に対する性能評価を行っ

概要



た。８ () &&* までの磁場を発生できるソレノイド磁石を用いて、磁場の強さ、磁場と光電子増倍管の角度を変えながら、光電子増倍管のゲインや時間分解能への影響を調べた。その結果、'() &&* 以下ならば、ゲインや時間分解能に対する磁場の影響は少なく、正常に動作することが判明した。
以上の成果をもとに、プロトタイプを製作し、33" ビームラインを利用してビー
ムテストを行った（ 年 "/4.）。)5 * の  中間子をシンチレーターに入射させる位置を変えながら、また光電子増倍管にかける磁場を変えながら、"# の時間分解能を測定した。その結果、'() &&* の磁場中においても目標の時間分解能

$%& を得られることを確認した（ 年  月）。

 年 6 月までに "# 本体とそれを支えるための部品の設計を完了し、 実
験磁石の実物大模型を用いた設置練習、宇宙線による性能確認テストの後、米国へ搬出

し、 年  月下旬  実験にハドロン識別 測定を行う観測領域内に 6 組設置した。
そして、 年  月より  ヶ月間、陽子・陽子衝突実験が行われたが、"# は正常に動作し、系統的比較のためのデータ収集は成功のうちに終わった。また、"7+（飛行時間測定器）を用いた粒子識別を設計通り行えることが確認された。



目次
概要



目次



第章

目的



8

 実験とは 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 88" カウンターの必要性 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

88

 における %9% 衝突実験 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

88

%9% 専用トリガー装置の必要性

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8/

飛行時間測定器 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

6

8'8

両読み型検出器 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

6

8'8

飛行時間測定法 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

.

8'

第章

8

8

8'

8/
第章

'8



カウンターの設計

求められる性能 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8



88

設置場所 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8



88

ハドロン測定のために 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

88'

対生成電子測定のために8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

$

88/

高磁場対策 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

4

設計 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

6

88

光電子増倍管 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

6

88

シンチレーター 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

.

88'

ライトガイド 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

.

88/

 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

光学モンテカルロシミュレーション 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8



8'8

計算の概要 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8



8'8

ライトガイド形状の決定

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

/

8'8'

結果 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8-プロトタイプの決定 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

$



テスト実験



磁場に対する光電子増倍管の性能評価 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

4

'88

目的 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

4

'88

セットアップ 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

4

'88'

結果 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

6



'8

第

章

8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

'88

目的 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

'88

セットアップ 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'

'88'

結果 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8'

テストビーム実験

製作 インストール

製作 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'-

/88

固定装置と " カウンターの設計 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'-

/88

固定装置の機械的強度 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

'6

/8

宇宙線によるテスト 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

/

/8'

インストール 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

//

/8

第

章

-8
-8

実験
得られた分布 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

 の現状 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

/$

-8'

" トリガー 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

/4

-8/

粒子識別 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8

/6

第章

:

/-

まとめ



参考文献



謝辞



光学    コード



第章

目的

 

 実験とは量子色力学の予測によると、クォークとグルオンの多体系は高温高密度状態になると通常のハドロン状態から、クォークとグルオンが比較的大きな領域を自由に動き回れる状
態、即ちクォーク・グルオン・プラズマ（）状態に相転移を起こすと期待されている。達成に必要とされるエネルギー密度は、高エネルギー重イオン衝突によって十分到達が可能と考えられ、実験室においてこの  状態を生成することができるだろう。
この問題に答えるべく  を生成検出を目指し、米国ブルックヘブン国立研究所において、世界初 90 の衝突型高エネルギー重イオン加速器（

&

 


  ）が建設され（図 8）、 年には     の金・金原子核衝。反応中心部の数百   の領域において、  $   ものエ突が実現した（図 8）

ネルギー密度が達成されると予測されており、これは人類が手にしたことのない最高エネ
ルギー密度であることは言うまでもないが、! が予測する  相転移に必要なエネ
ルギー密度を十分に越えている。

図  衝突型重イオン加速器 図  金・金原子核衝突の様子

第  章 目的 で行われる主要実験の一つである  実験では、予想されるなるべく多くの  生成のシグナルを同時に測定するために、生成されるレプトン対（ミュー粒子対、電子対）、光子、ハドロン（3 中間子、パイ中間子、ファイ中間子、陽子、反陽子等々）を測定する。そして、衝突で達成されたエネルギー密度の関数として、 生成を示す変則を同時に検出することによって、 生成の証拠とする。 実験では、図 ;8'< に示すように３つのスペクトロメーターから構成され、中央スペクトロメー
ター飛跡再構成用の種々のトラッキングチェンバー、粒子識別用リングイメージチェレン
コフカウンター、高時間分解能飛行時間測定器、電磁カロリメーターから成り立っている。筑波大学では、時間分解能が 6- ピコ秒以下の高時間分解能飛行時間測定器の開発・製作そして設置をした。飛行時間測定器を用いたハドロン測定により、 による横運動量



の増大、ストレンジネス生成量増大、" 効果測定による巨大ハドロン生成源の発生などの効果を探る。

図  



 実験8 " カウンターの必要性 カウンターの必要性  における   衝突実験
高エネルギー重イオン衝突は反応の時間発展を含む複雑な現象であり、今までの知識だ
けでは未知のエネルギー領域の重イオン衝突を理論的に正確に予測することは困難である。前人未踏のエネルギー領域である  において、高エネルギー原子核・原子核衝突
特有の現象を明らかにするためには、01 や 11 でなされてきたように、陽子・陽子衝
突〜陽子・原子核衝突との系統的比較が必要である。特に  相転移に伴う信号の有意性を検証する際には、同一エネルギーにおける陽子・陽子衝突〜陽子・原子核衝突との比較が極めて有効な方法である。
図 8/（参考文献 )*）は、異なるエネルギーの原子核・原子核衝突の実験をそれぞれ同程度のエネルギーの陽子・陽子衝突のデータを用いて比較したものの一例である。横軸
は、横運動量 = 、縦軸は、「原子核・原子核衝突での粒子数」を「その原子核・原子核衝

=横運動量



;  < 9 ;  <突を衝突初期の核子・核子衝突の和と考えたときの粒子数」で割ったものである。

ビーム軸に垂直な運動量のエネルギーでは、大きい横運動量の粒子が抑制されていることが発見された。高エネル



ギー衝突では、何らかのメカニズムによって、粒子のエネルギー損失が起こっていると考えられている。

図   データの利用例



第  章 目的   専用トリガー装置の必要性
高エネルギー衝突と言えども、原子核・原子核衝突よりも陽子・陽子衝突や陽子・原子核衝突の粒子多重度は遥かに小さい。以下に、イベントジェネレーター >0および ! を用いた、金・金原子核衝突および陽子・陽子衝突それぞれにおける粒子多重度= ラピディティー 
高エネルギー粒子衝突で発生した多数の高速粒子などの分布を分析するのに用いられる物理量。
発生粒子が衝突の中心領域から見て、どの領域に分布するかの目安とすることができる。
、運発生粒子のエネルギーを 
動量を  としたときラピディティー 
は、の分布図 ;図 8-< 、;図 8$< を示す。  が金・金衝突では平均  に対して、陽子・陽子衝突では平均１程度であるため、発生粒子数の比が陽子・陽子衝突は金・金に比べ 
分の  しかないことが分かる。

        

ここで、 はビーム軸方向の運動量
射影成分、
¾ ¾ である。



図   を用いたラピディティー分布、左図は 、右図は  疑似ラピディティー  とおけるような高いエネルギー
では、   なので、 は次のように近似できる。

     



 



（ただし、 はビーム軸と発生粒子の方向の角）のように 次粒子の運動量を測定しなくても、生成角だけ分かれば良い。



図   を用いたラピディティー分布 両図とも 

現在の  実験ではトリガー装置として、ビームビームカウンター（）を用いている ;図 84<。この  は、粒子密度の高い  度方向に飛んでくる粒子（疑似ラピ
ディティー

で

;'8/8<）で事象選択を行っており、高エネルギー重イオン衝突では幾何学的断面積のほぼ  ％を検出できる。
しかしながら、粒子多重度の遥かに小さい陽子・陽子衝突や陽子・原子核衝突においては  のような装置は機能するのであろうか？
そこで、イベントジェネレーター  ! と  ,

を用いて、   ) * の陽子・陽子衝突を再現させ、全衝突  のうち、どのくらい  でトリガーができるか計算した。その結果が表 8 である。

 では半分程度しか事象選択されないことが分かった。そのため、収集されるデー
タに偏りのある可能性があり、我々の目指す系統的比較には不適である。すなわち、既存のトリガー装置である  は、陽子・陽子衝突には適さない。
一方、ハドロンの粒子識別・測定が行える飛行時間検出器 "7+ にはどのくらい粒子が来るのか？  ! を用いて陽子・陽子衝突を再現し、"7+、 及び後で述べる "カウンターの 数分布を求めた。結果は図（86）である。

8 " カウンターの必要性  ??"  ??0 9 0〜 ％% 9 % ; !<

/ ％

. ％

% 9 % ; , <

- ％

'$ ％

表   衝突にて、各検出器に事象選択される確率
イベントジェネレーター  と を用いた図（86）右上は "7+ の " 数の分布であるが、" がない  が 6/ ％である。すなわち、"7+ に粒子が入る  数は全  数の $ ％程度と少ない。 トリガーを要求したときの "7+ の 
中、"7+ に  があったのは数分布が図（86）右中である。全  トリガー  ％しかない。粒子識別されたハドロンをより多く測定するためには、"7+ のアクセプタンスに合致し、かつスタートタイミングを与える新たな検出器（図 84 で赤色、以下 " カウンターと呼ぶ）が必要である。" カウンターのト

リガーを要求したときの "7+ の  数分布を計算した結果が図（86）左中である。 ''％と  に比べ  の収集効率が、' 倍近くあることが分かった。

 のトリガー要求したとき及び " カウンターのトリガーを要求したときの "7+の数分布を全  でノーマライズしたものが（図（86< の左下と右下である。

 をトリガーとして使用すると "7+ の  数が少ない  を取り逃していることが分かる。しかし、" カウンターをトリガーとして使用すると、"7+ の  数に偏りがない。
すなわち、" カウンターを用いることで、倍近く上げることができる、またりをなくすことができる"7+ に  する  の収集効率を 'ハドロン測定において、 では生じる  の偏第  章 目的

図 

 と飛行時間検出器 !"# と新たなトリガーカウンターの位置関係

 はビーム軸に衝突点対称に  つ設置されている。"7+ は衝突点より - 離れた場所にある。"7+ のアクセプタンスに合い、飛行距離を稼げるようにビーム軸付近に新た。
なトリガー検出器（" カウンター）を設置することにした（右下図で赤色）8 " カウンターの必要性

図 $  を用いた、各検出器の ! 数の違い
左上：!% の入射粒子数、右上：!"# の入射粒子数
左中：!% と !"# 両方に入射した粒子数
右中：

（ つのうちいずれか）と !"# 両方に入射した粒子数

左下：（!% と !"# 両方に入射した粒子数）&（!"# の入射粒子数）
右下：（

（ つのうちいずれか）と !"# 両方に入射した粒子数）&（!"# の入射粒子数）

第  章 目的

 飛行時間測定器
  両読み型検出器
新たなトリガーカウンターは、シンチレーターの両端を光電子増倍管で挟んだ、両読み型検出器（図 ;8.<）にする。両読みにすることで良い時間分解能が得られるためである。

=

この節では、両読み型検出器によって、どのように飛行時間を測定するのかを述べる。

 @ 粒子がヒットした時間
 @ ヒット位置
 @ 右側  " の時間 @ 右側  " の電荷 @ 左側  " の時間 @ 左側  " の電荷 @ シンチレーターの長さ

図 ' 両読み型測定器

       は次のように表される。

 @ 減衰距離   9

 @シンチレーター中の光速




 

   A%

 @ 定数   9



;8<

 





;8<

 
 

;8'<

   
 

;8/<

    ;8-<   A%
従って、   は、次式で表される。

 


 9       ;8$<

このようにして、粒子がシンチレーターに入射した時間を測定することができる。
また、時間分解能 Æ¼ および位置分解能 Æ は、以下のように表される。

 Æ   Æ 
 9 
Æ 

 Æ   Æ ½¼

Æ  

¾

½  9





¾ 



;84<
;86<

もし両側の  " が同じ性能を示している、すなわち Æ½  Æ¾ とすれば、

Æ¼ 
Æ 

Æ½


;8.<

  Æ½

;8<である。
ちなみに、この検出器は  つ以上の粒子が同時にヒットした場合は、正確な時間が測定できなくなるため、 %    を低くしなければならない。

8' 飛行時間測定器

  飛行時間測定法
この節では、飛行時間測定法（ BC ?,  ,D "7+  ,）について述べる。
飛行時間測定法の原理は簡単で、図（8）に示すように粒子が飛行距離  だけ飛んだとすると、その距離  を粒子が飛行するのに要した時間  から、粒子の速度は    で求められる。

図 % 飛行時間測定法で粒子識別する原理

この情報と粒子の運動量
質量の測定値から、次式より粒子識別ができる。

速度  の物体の運動量（/ 元運動量の空間成分）は、

   
 

 


  
Ú

Ô












 

=

;8<    
;8<
図 8 は  年の  実験のデータである。大変綺麗に粒子識別できている様子が分かる。

図 

 (%%% 年度 粒子識別の結果

ただし、縦軸は 

横軸は 。

Ú    Ú 第  章 目的



では、 年度、スタートカウンター  とストップカウンター "7+ によりどの程度の時間分解能が得られたかについて述べよう。そのために、次式の分布を見てみる。

      ;8'<"7+ とは、実験で得られた飛行時間である。すなわち、ストップカウンター "7+ の時間からスタートカウンター  の時間（  E）を差し引いた時間である。

    とは、8 式より計算した、飛行時間である。飛行距離  および運動量は他の検出器（ドリフトチェンバー）から得られる。また、質量はデータブック )'*にある実験値を用いた。

8 式より、      として、            







           9           ;8/<

図 8 は  実験  年目（ 年）のデータを用いた 8' 式の分布である。実
効的な時間分解能は、

 -  を達成している。

図 

 (%%% 年度の実効的な時間分解能

横軸は、（飛行時間） （ 中間子の期待される飛行時間）)*



第章

 カウンターの設計
この章では、新たなトリガーカウンター（以後、" カウンターと呼ぶ）に求められる性能について述べ、 " やシンチレーターなどをどう選択したかについて述べる。
そして、それらを組み合わせた結果、モンテカルロシミュレーションによってどのくらいの性能が期待されるかについて議論する。

第  章 " カウンターの設計

 求められる性能 設置場所
粒子の飛行時間を測定するためには、1 %   である "7+ との飛行距離距離を大きく取る必要がある。（第 8'8 節 ;. ページ< 参照）"7+ は、衝突点から - のところに設置されており、" カウンターはできるだけ衝突点の近くに設置したい。
では、衝突点付近には " カウンターを設置できるスペースがあるのだろうか。図 /8
は、 検出器の衝突点付近の様子である。中央の細い管がビームパイプであり、左右よりビームが来て衝突を起こす。左右の緑色の円錐状のものは、ソレノイドコイルを設置するためのヨークである。円錐中央には円筒状の突起がある（ノーズコーンと呼ぶ）。
ノーズコーンの周りには溝が掘られている。この溝は、ソレノイドコイルを設置するための場所であったが、現在は使用されていない。
そこで、このスペースを利用することにした。シンチレーターに光電子増倍管を挟んだ両読み型検出器（図 8）をノーズコーン間を橋渡しするようにして、設置することにした。
ノーズコーン間の距離は 、ノーズコーンの半径は -'8$  であるため、" カウン
ターのシンチレーターの長さは  程度として、設置される半径方向の位置は $  程度を想定しなければいけない。

図 

検出器（ビームパイプ付近の様子）8 求められる性能



図  !% カウンターの概要図 ハドロン測定のために 実験の目的は、 生成シグナルを得ることであるが、その一つとして、
D D などのベクター中間子の質量とその幅の変化が予言されている。ベクター中間子の一つである  中間子は 3 中間子対や電子対にすぐに崩壊するがそれらの質量（3 中間子対崩壊）は飛行時間測定によって求められる。
この節では、ハドロンの飛行時間測定に時間分解能および立体角がどのくらい求められるかについて述べる。

時間分解能



8'8 節 ;. ページで述べたが、 金 金原子核衝突実験において、 年度の実効的な飛行時間測定の時間分解能は

-%& であった。

陽子 陽子衝突においても、同程度の時間分解能を得たい。ストップカウンターである

6%& の時間分解能があるため、スタートカウンターである " カウンター固有で、 ;-<  ;6< 6%& の時間分解能が望まれる。

"+ は





第  章 " カウンターの設計

立体角
言うまでもなく、飛行時間測定をするためには、粒子がスタートカウンター " とストップカウンター "7+ のどちらも通過しなければならない。
そこで、ある運動量の粒子が "7+ と " を両方通過するためには、" にどれだけの立体角が必要になるのかを計算した（図 8'、表 8）。ちなみに、"7+ は  $6Æ 'Æ をカバーしている。また、" は   $ にあるものとした。

図   )  ! を用いた粒子の横運動量による飛跡の違い

磁場がかかっているため、電荷の違いで粒子の飛跡が異なる。

 ) 5 *)?*A)?*" が必要な  の角度



6

/6

'

'

'$

'-



/

/-

'

6-

表  粒子の運動量を !% に必要な  の範囲8 求められる性能



バックグラウンド
シンチレーターの厚くすればするほど、シンチレーション光量が多くなり、時間分解能が良くなると考えられる。だが、やみくもに厚くしてしまうと、シンチレーター中で光子が対生成をする確率が増え、バックグラウンドとなる電子を多くしてしまう。
表 8 は、シンチレーターの厚さと対生成の確率を計算したものである。計算は 通りの方法で求めた。一つはシミュレーションコード 0"' を用いて、ガンマ線（  ）が対生成を起こす確率を求めた（図 8/）。もう一つは、シンチレーターの放射長を用いて計算した。

図  )  ! を用いた  線の対生成確率計算の様子

対生成の確率厚さ

0" より

放射長より

8 

8- ％

8/ ％

8- 

86 ％

'8 ％

'8 

'8/ ％

'8- ％

表  シンチレーターの厚さと対生成の確率

時間分解能

6%& 達成のためには、シンチレーターを厚くしたいが、対生成を減らすことも考慮しなければいけない。

第  章 " カウンターの設計





対生成電子測定のために 

!"



陽子 陽子衝突で生じる粒子は   中間子および陽子が大部分を占める。ここで、 
は崩壊して



線を生じる。) * 以上のエネルギーは、対生成（電子 陽電子に崩壊）することがある。相対論的重イオン衝突ではエネルギーの高い線が多く生じるために対生成が頻繁に起きる。 検出器において、スタートカウンター " はビーム軸の最近接に設置される。そのため、" 内で対生成した電子は、後方に位置する検出器に影響を与える。このバックグラウンドを排除するために考え出されたのが （, &  F ）である。
 の原理は図 8- の通りである。 を " の直前に設置することで対生成電子のバックグラウンドを取り除くことができる。荷電粒子は  と " の両方で検出、" 上で対生成したできるが（ ）

線は " のみ検出される（:）
。したがって、

と " の信号の組み合わせによって、バックグラウンドとなる " 上の対生成電子を見極めることができる。
ただし、 を設置する上で一つ問題がある。それは荷電粒子による信号（ ）と 上で対生成した電子による信号（ ）をどのようにして区別するかという事である。
この問題を解決するには、 をできるだけ薄くして対生成による電子（ ）を検出しないようにすればよい。一方、荷電粒子の信号（ ）を確実に検出するために  には十分な厚さが必要である。すなわち  は「 線の対生成による信号（ ）を検出できないほど薄く、荷電粒子による信号（ ）を確実に検出できるほど厚い」厚さのシンチレーショ
ンカウンターであることが要求される。

図 

 の原理8 求められる性能





高磁場対策
図 8$ は  検出器を横から見た図である。 検出器には、磁場用のコ

イルをインストールする所が  ヶ所あるが、 年現在内側の  7G 部にはコイルが入っておらず、スペースが空いている。 ここが、" 用の  " を置くのに都合が良い。なぜならば、衝突によって発生する荷電粒子が  " を通過することはできないからである。そして、シンチレーターの長さや半径  の位置などが必然的に決定される。

図  !% 設置場所

しかし、大きな問題が一つある。設置場所の半径  が小さいため、この周辺は高い磁場がかかっていることである。 " 周辺の磁場の様子を図 84 に示す。 " を!

 $  "  $ に設置したとすると、その場所の磁場は '-) &&* と高く、かつ角度（約 ' 度）を持っており、大変厄介である。我々はこのような高磁場下でも問題なく運用できる  " を選ばなければならない。

図  !% 用

! 付近の磁場マップ

第  章 " カウンターの設計





設計

 光電子増倍管
88/ 節 ;4 ページ< で述べたように、 " が置かれる場所は、角度を持った高磁場がかかっている。そのため、高磁場下でも運用可能な  " が必要である。
我々は、高磁場下でも動作し、高い ?  が得られる（
るマイクロチャンネルプレート型では 、高磁場用として知られ ）ため、0 0 0"12 $$/ ;-./<を使用することにした。

": !  - ;H<"8"81// %& & " 8-&

0 I

 0

 0% J



'.

 
/#  #   "&8- "&8 "&表   !*+ ,'- の性能

図 $ !*+  ,'-図 ' 磁場と増幅率の関係8 設計 シンチレーター
シンチレーターは、7 社の // を使用する。なぜならば、これは我々のグループが製作した飛行時間検出器 ;"7+< で使っているものと同じであり、我々は //の経年変化についてよく理解しているためである。// のシンチレーション光量は平均  ヶ月で  になる。

 &

    !& 

8' ?5$%$ B
8.-$  ¾
8-6

G ?, 7 % D 0 , $6 K

 & " 84 &!  " 86 &

 & L  , D +L

8 &

G ?, 0  G? ,/ L  ? , &A  && /6  
表 

 A



 G? ,/8- 

(% *./0012 , " -ライトガイド光電子増倍管の有効光電面は直径 '. の円であるが、シンチレーターの断面は長方形である。そのためライトガイドが必要となる。光量を効率良く得られるライトガイドを製作するために、モンテカルロシミュレーションを行った。このモンテカルロによるラ
イトガイドの設計についての詳細は、8' 節で述べる。

図 % ライトガイド

第  章 " カウンターの設計







88' 節で述べたが、 を " カウンターの内側に取り付けることにした。 としては、図 8 のように、シンチレーターに深さ  幅  の溝をあけ、その中にファイバーを埋め込み、光電子増倍管まで光を導く物を製作した。
（詳しい M! については、 )-* を参照されたい）

図 

 の外観図 8 は、33 にてテストビーム実験をした際の  から得られた  分布である。この図は、厚さ ' のシンチレーターを用いたときの分布で、赤は " がオー
バーフローしたものの  分布でペデスタルである。Æ   とは、全トリガー事象のうち光電子増倍管のサーマルノイズと思われるものをカットした事象のことである。

図 

 の 3 分布（%%% 年度 4 4 テストビーム実験の結果）

表 8- は、結果をまとめたものである。厚さ ' のシンチレーターで十分に荷電粒子が通過したかどうかが区別できる。
シンチレーターの厚さ

'

$

平均光電子数6個

 個

% ３個以上の ,&, 
% １個以上の ,&, " オーバーフローのカットのみ
表 


.688 ％..8'8 ％6'8/ 8 ％ の荷電粒子収集効率

..8'8 ％..8'8 ％..8 8 ％8' 光学モンテカルロシミュレーション

 光学モンテカルロシミュレーション
この章では、" カウンターの光学モンテカルロシミュレーションの方法と結果について述べる。コンピューター上で " カウンターを作り、荷電粒子が通過した際に、どのく
らいの時間分解能が得られるか計算した。その結果から、33 テストビーム実験に向けて、" カウンターの形状を決定した。

  計算の概要
光学モンテカルロシミュレーションの概要について述べる。ソースコードは巻末を参照
せよ。
検出器の作成' 次元空間上にシンチレーターとライトガイドを作成した。また、電気信号が得られるよう -./ と同じ時定数をもった光電子増倍管も考えた。
シンチレーション光の発生
シンチレーターのある場所に荷電粒子が通過したとみなして、シンチレーターの厚さ分だけのシンチレーション光を一様に発生させる。
反射
発生した光子一つ一つについて、光電子増倍管の光電面まで反射して到達するか判定する。シンチレーターとライトガイドの各面において、入射角が臨界角以上の場合は反射させる。そうでない場合、光子は消失させる。無事に光電面まで到達したら、次のステップに進む。この際、反射した回数と光路を記憶しておく。
光電子発生
光電面まで到達した光子が光電子になるかどうか判定する。判定には以下の要素を。
考慮した（図 8' 中の式参照）
反射回数
シンチレーターでは、 回反射する毎に .684 ％の確率で光子が生き残れることがわかっている（参考文献 )*）。
光路
光子の光路と減衰長から光子が生き残れるか判定する。
量子効率
光電面での光子が光電子になる確率（量子効率）を  ％とした。
一光電子分のパルスの生成
光電子が発生できた場合は、光電子増倍管の時定数から求まる一光電子分のパルス     ;8<'ただし、&  #$   )()*) +*   ), -  の増幅率*  #$) *、-)N*、を作る。

 ;< & !
 '時定数 '  -) *
走行時間

各パルスについて走行時間を求めなければいけない。走行時間の計算には以下の '第  章 " カウンターの設計



点を考慮した。
シンチレーション光の発光時間
荷電粒子が通過してからシンチレーション光が出るまでにかかる時間は、シンチレーターの時間特性による。このプラスチックシンチレーター（//7）の時間特性は立ち上がり時間 84&、立ち下り時間 86& であること
より、

. 



#4

 #6

A%

    A%   
#4

#6

;8<

のような分布となる。この確率分布を考慮した。
光路
シンチレーターとライトガイドでの光路を光速で割った。
光電子増倍管中の走行時間
光電子増倍管 -./ の走行時間の広がりは //%& であるが、これを標準偏差としたガウス分布を考慮した。
出力の生成以上より、各パルスの走行時間が求まる。全ての光電子について走行時間を求め、全てのパルス（一光電子分）を重ね合わせると、光電子増倍管から出力される出力を作ることができる。

,&, 
その出力で ,&,  を越えたときの時間を記憶する。これにより、 の" の値が求まる。
時間分解能の決定
以上の計算を繰り返し、" の分布から時間分解能を求める。

8' 光学モンテカルロシミュレーション

図   ".0 1/5 201 *601/ の概要第  章 " カウンターの設計

  ライトガイド形状の決定
シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせて時間分解能の計算を行う前に、ライトガ
イドの形状および長さを決めるための計算を行った。シンチレーターの断面（高さ  、
幅 6 ）からのシンチレーション光が光電子増倍管の光電面（高さ / 、幅 / ）にどのくらいの割合で到達できるか計算した。計算を行ったライトガイドの形状は以下の / 通り。;< ライトガイドをつけない、すなわち立体角、;< 立方体、;'< フィッである（図 8/）
シュテイル型、;/< 立方体フィッシュテイルを組み合わせたもの。

図   タイプのライトガイドの形状

結果は図 8- である。最も収集効率が良いのは、フィッシュテイル型である。また長さ   以上では収集効率の変化が少なくなっている。

図  ライトガイドの長さと収集効率

長さ G の定義と &  と  &  の違いは、図 8/ の上図を参照せよ。シンチレーター
断面で光が出てくる場所の違いである。 &  とはシンチレーターの内側であり、

 &  とはシンチレーターの外側である。

8' 光学モンテカルロシミュレーション

 



結果

図 8$ は、シンチレーターの厚さと荷電粒子の入射位置を変えながら、" カウンターの方読みの時間分解能を計算したものである。入射位置が光電子増倍管から離れるほど時間分解能が悪くなるのが分かる。また、厚さ   と '  ではあまり差がないことが分かる。

図  荷電粒子入射位置による方読みの時間分解能の変化

図 84 は、方読みの結果から式 ;84< を用いて、両読みにしたときの時間分解能を計算したものである。厚さ   では、粒子の入射位置によらず時間分解能はている。

図  荷電粒子入射位置と両読みによる時間分解能

6%& を達成し第  章 " カウンターの設計

図 86 は、荷電粒子がシンチレーターの中央（- ）に入射したときの両読みの
時間分解能（赤）とガンマ線から電子対生成の起こる確率（青）がシンチレーターの厚さによってどう変化するか見たものである。時間分解能は厚さ   以降は

 $%& に飽和する。一方、電子対生成の確率はシンチレーターが厚いほど大きくなる。目標とする時間
分解能

 6%& を満たし、電子対生成を減らすことができるため、シンチレーターの厚さは   に決定した。

図 $ シンチレーターの厚さによる時間分解能（赤）と電子対生成の起こる確率（青）の変化

 プロトタイプの決定" カウンターのプロトタイプを次のように決めた。
光電子増倍管は -./;0 0 0"12< を選択した。シンチレーターは長さ  厚さ

  幅 6  のものを使用する。ライトガイドはフィッシュテイル型で長さ   のものを製作した。



第章

 テスト実験
この章では、33 にて行った二つのテスト実験について述べる。一つは、光電子増倍管に磁場をかけたとき性能はどうなるかを調べた（'8 節）。二つ目は、" カウンターのプロトタイプを 33 のテストビームチャンネル（"）を利用してどのくらいの時間分解。
能を達成できるか測定した（'8 節） 磁場に対する光電子増倍管の性能評価
 目的88/ 節 ;4 ページ< で述べたように、" カウンターの光電子増倍管が設置される場所
は、光電子増倍管の光電面に対して ' 度の角度で、'() &&* の高磁場がかかっている。
我々が選択した + 

&, 型の光電子増倍管はこのような状況下でも高い ?  が得られるか、また時間分解能にどのような影響があるかについて調べる必要がある。

 セットアップ
図 '8、図 '8 のように、光電子増倍管に磁場をかけ、半導体レーザー= を入射させたと = 使用した半導体レーザー

きの ?  と時間分解能を測定した。磁場は  6() &&* の範囲で変えながら測定した。 GD（株）0 0 0"12
また角度は、D-D' 度の ' 種類について測定した。

パルス幅

また、光電子増倍管の印加電圧は、$ の  種類について測定した。各電圧 波長

68-%&/-

において、入射させるレーザーの光量は、フィルタ= を用いて調節した。 の際は、 同期トリガ光出力間＜ 

光電子数が / 個程度になるよう調節した。$ では、 個程度になるようにした。 =ゼラチン ! フィルタ（株）3 ( O 7%

!& 86

$ O フィルタなし

図 

! 磁場実験の概要図

第 ' 章 33 テスト実験

/ 個としたのは、先のモンテカルロシミュレーションで、厚さ   長さ  のシンチ
レーターの中央に荷電粒子が通過した場合、/ 個弱の光電子が発生すると分かっており、そのうち時間分解能を決めるパルスの立ち上がり部分を形成させるのは約  ％だからである。$ では ?  が低かったため、フィルタを使用しなかった。

=図 '8 のドーナッツ状のものが電磁石である。空洞部に磁場
がかかる。

図 



! 磁場実験の様子

電磁石提供 佐藤任弘氏（4 4）結果

図 '8' は磁場を変えたときの ?  の変化である。縦軸は、磁場をかけていない時の?  を  としている。
磁場が大きくなると ?  が悪くなるのが分かる。また、角度がある方が ?  の減り方
が小さいことが分かった。' 度では、() &&* 付近では逆に ?  が大きくなっている。
図 '8/ は磁場対する時間分解能の変化である。-() &&* より大きくなると、時間分解能が悪化するのが分かる。

 では、光電子増倍管は

'() &&*D' 度の下で運転させることになるが、?  も時間分解能にも影響は少なく、十分に動作可能であることが分かった。

'8 磁場に対する光電子増倍管の性能評価

図   磁場と増幅率の関係

図  磁場と時間分解能の関係第 ' 章 33 テスト実験



テストビーム実験 目的長さ  幅 6  厚さ   のシンチレーター、ライトガイドと光電子増倍管を組み合わせたプロトタイプが目標の時間分解能 6 を得られるかどうか確認する。

 セットアップ
33 のテストビームチャンネル（"）を利用して、" カウンターのプロトタイプに)5 * の   を入射させて、時間分解能の測定を行った。

図 '8- が、セットアップである。スタートカウンター（両読み） つ、"7 カウンターおよび !+ カウンターを  つ用いた。

   "% : B  "1" D   & '6/!+    & $/4

!+    & $/4

"7   & /'1 

 1 E )

   #    #    #    #6

*

ただし、直径   の穴がある"   & -./
表  測定に使用した



6

! とシンチレーター

図 '8$ は回路図である。トリガーは、次のようにした。

 &//  0 !

0 !

1% 

1% 

 % 

;'8<

以上のセットアップで、" カウンターにビームを入射させる位置を変えながら測定を行った。また、" カウンターの片方の光電子増倍管に、磁場をかけた測定も行った。
（ただし、スペースの制限のため磁場と光電子増倍管の角度は  度のものしか測定していない。）

'8 テストビーム実験

図  4 4 テストビーム実験のセットアップ

図  4 4 テストビーム実験の回路図

第 ' 章 33 テスト実験





結果
解析方法
図 '84 は実験で得られた分布の一例である。

" カウンター固有の時間分解能は以下のようにして求めた。まず、各光電子増倍管について 1 P ? の補正を行った。

 1( 



1(

9+

（ + は定数）;'8<

そして、飛行時間検出器が ' つあることより連立方程式を用いて、" カウンター
固有の時間分可能を求めた。

= 1 とは、1" 右側のチャンネルの "! の値（1 P ?
補正後）のこと

ただし、

2  
2  ¼
2  ¼

2    2  9 2 ;'8'<

2  ¼  2  9 2 ¼;'8/<

2  ¼  2  9 2 ¼;'8-<

 0 ! 9 0  0 ! 9 0  
 0 ! 9 0   ! 9   
 0 ! 9 0   ! 9   









図  得られた分布



;'8$<
;'84<
;'86<

'8 テストビーム実験



印加電圧の依存性
図 '86 は、ビームの入射位置は一定にして、光電子増倍管の印加電圧を変えたときの時間分解能である。4 程度が最適であることが分かる。ちなみに、" カウン
ターの ,&,  は とした。

図 $

! 印加電圧と時間分解能（縦軸 789）

磁場の依存性図 '8. は、" カウンターの片側の光電子増倍管に角度  度の磁場をかけて片読みでの時間分解能を見たものである。（ここでは厚さ   幅 6  のシンチレーターだ）-() &&* まけではなく、厚さ   幅   のシンチレーターも用いて測定をした。
で測定したが、時間分解能に磁場の影響は見られなかった。 での運転では、'() &&* を想定しているため、問題なく動作させられる。

図 ' 磁場と時間分解能

第 ' 章 33 テスト実験



時間分解能の結果
図 '8 は、ビームの入射位置を変えた時の時間分解能である。 & した点はテ



スト実験の結果である。両読みした時の時間分解能は、 $%& を達成しており、シミュレーションの結果とよく合っている。

図 % 時間分解能の結果まとめ

33 でのテストビーム実験により、高磁場下でも目標の時間分解能を得られることが確認された。%9% 衝突実験に向けて、製作に取り掛かることになった。



第章

製作  インストール

 製作" カウンターは、 実験開始からあり常時設置されているものではなく、空いているスペースを活用して、陽子 陽子衝突実験が行われる  ヶ月間のみ使用される。そのため、" カウンターを固定するための部品も製作しなければいけない。

" カウンターの設置される場所は特殊な場所で、設置するためにいくつかの工夫を必要とした。ここでは、" カウンターとそれを  検出器に固定する部品の製作について述べる。

 固定装置と  カウンターの設計" カウンターの設置される場所は、ビームパイプ付近である（図 /8）。ここに重さ約-(? の " カウンター 6 組（図 /8）をインストールしたい。

図  ビームパイプ付近の様子
図  !% カウンターをビーム衝
突点から見た様子

第/章





製作 インストール

そこで、図 /8' のようなものを考えた。ノーズコーンにベルトを巻きつける。ベルトにはプラットフォームを溶接し、そこに " カウンターを固定するというものである。

図   インストール予想図

図  側面図

/8 製作



このように、 つはノーズコーン間を橋渡しにするデザインではある問題が生じた。

 検出器のマグネットはしばしばダウンすることがあるが、磁場の 7 7++ によってノーズコーンがコンマ数  ずれるというのである。そこで、片方のベルトについて、" カウンターがプラットフォーム上で、自由にスライドできる構造にした（図/8-D/8$）。

図  !% 固定部の拡大図

図 

第/章



製作 インストール 固定装置の機械的強度
この節では、" カウンターの機械的強度について述べる。" カウンターは、ノーズ
コーンにベルトを巻きつけて固定する。そのため、このベルトが " 自身の重みに耐えられるかどうか知る必要がある。また、" カウンターの外側に放射長を減らす目的で、

 ? と呼ばれる風船状の物がインストールされるが、この   ? の圧力にシンチレータなどが耐えられなければならない。
ポイントは、次の ' 点である。

8 ベルトの強度
8 シンチレーターの   ? に対する強度'8 オプティカルセメントの   ? に対する強度

#

ベルトの強度
断面積 00  )) * )) *)  *

*

*

 4-)

*

 )本*  #-  )*  #-

  ) *;/8<のステンレスのベルトに質量 -3? の " カウンターを取り付けた場合、引張荷重  は、

 （質量）（重力加速度）（断面積） - .#6#-   )- , *







;/8<

である。

=降伏応力

一般的なステンレスの降伏応力=3 は、

塑性変形が始まる応力。降伏応3  )- , *

力に達するまでは、物質は弾性的に変形している。

したがって、

;/8'<

3 より、ベルトは " カウンターの重さに耐えられる。

また、このときのひずみ =は、ステンレスのヤング率は %  ), * なので、

（ヤング率 % ） （ひずみ ）（応力  ）=ひずみ
単位長さ当りの伸び

つまり、のベルトに " をぶら下げたら、- ) 

;/8/<* しか伸びない。

実際には、" カウンターは垂直にぶら下げるのではなく、巻きつけて使用するため荷重は分散され、この計算よりも安全であると言える。

/8 製作#

シンチレーターの $ %& に対する強度

  ? は（ 気圧9 インチ水柱）だけの圧力を持った風船である。この圧力により、長さ のシンチレーターはどうなるのであろうか。

等分布荷重両端支点ばり" カウンターに   ? を接触させることは、図 /84 のように単位長さ当り #-/

  )4/ * の荷重を受ける長さ   )* の等分布荷重両端支=

点ばりと考えることができる。

赤  ?

緑

シンチレーター青ライトガイド図  等分布荷重両端支点ばり

このとき、せん断力  は、 
曲げモーメント - は、

- 



;

 <

;/8-<



 <

;/8$<



;

また、最大曲げモーメントは、シンチレーターの中央 ;  < で、- 



6

;/84<

したがって、せん断力図 ; ?  B &,  ? B Q1+!<（図 /86）および、; ? 

B : ?  Q !<（図 /8.）が描ける

図 $ *#

図 '



第/章





製作 インストール

断面２次モーメント、断面係数

図 % シンチレーターの断面図

図 /8 の長方形断面において、主軸 5  に関する断面２次モーメント 6 と断面係
数 " は、

6
"

+7



 '#-

  )

*

;/86<

 /#

 )



;/8.<

+7

$

*

はりの曲げ応力
一般的に、最大応力を 2 、断面係数を " 、曲げモーメントを - とすると、次式が成
り立つ。

2

"

;/8<

このとき、はりに生じる最大引張応力は、;/84< 式より、

-
' 

"
/+7

2 

;/8<

たわみ
等分布荷重両端支点ばりにおいて、たわみ曲線は、ヤング率を % とすると、


%6 $$8  -;/8<   で、    、   で 8   より、
8



/%6

;

8  8  9 <;/8'<- '6/%6;/8/<¾

結論
シ ン チ レ ー タ ー（ 材 質 は 飽 和 ポ リ エ ス テ ル と し た ）の ヤ ン グ 率 は % = 安全率
構造物の安全基準として使用可
能な数値。静荷重であれば、.
％を限界として、 ％以上になると折れてしまう。

)*4/  *、許 容 応 力 は $)4/ ;  --)*< において、;/8< 式より、（安全率）

 * で あ る か ら 、シ ン チ レ ー タ ー 中 央

最大応力 #$
許容応力と、折れる限界の千分の一程度であり、安全である。
また、;/8/< 式より、シンチレーターの中央では #$/

たわむ。

/8 製作

#

オプティカルセメントの $ %& に対する強度

  ? の圧力により、シンチレーターとライトガイドを接着しているオプティカル
セメントは剥がれてしまわないか。
オプティカルセメントのある断面（  - -)り、#$   )4/ *）に掛かる応力は、;/8-< 式よ *。また、オプティカルセメントの許容応力（引張方向）は9)$0/7  #-)4/ 

 *。



ゆえに、（安全率）（最大応力）（許容応力） #' ％ より、剥がれる限界の千分の一程度であるため、安全である。

第/章







製作 インストール

宇宙線によるテスト
目的製作した " カウンターが 33 実験で得られた時間分解能を再現するか、宇宙線を用いてテストを行った。
セットアップ図  宇宙線によるテスト

図 /8 のように、" カウンターを交互に ' 組並べ、上下  組の " カウンターのコ
インシデンス（次式）をトリガーとして、時間分解能を測定した。

 &//   !

 

 '!

図  セットアップ ';/8-<

/8 宇宙線によるテスト



結果 ' ページと同様の方法で、" カウンターの時間分解能を出した結果が、図/8' である。33 テスト実験と同様の結果（ $%&）を得ることができた。

図   実験結果

第/章





製作 インストール

 インストール" カウンターを設置する場所は、高さ ' 以上で足場がとても狭い。また、インス
トールのためにビームエリア内で作業できる時間は短い。そのため、 磁石のモックアップモデル（図 /8/）を製作し、設置予行演習を繰り返し行った。

 年  月末、 検出器に無事にインストールをすることができた。

図  ノーズコーン模型と !% カウンター図 





検出器に設置された !% カウンター



第章

 実験
 年  月から  年  月にかけて、陽子 陽子衝突実験が行われた。ここでは、
 年  月 ' 日現在の段階で解析できているデータについて述べる。

 得られた分布
図 -8 は、" カウンターでのエネルギー損失の分布である。バックグラウンドと最小エネルギー損失のピークが確認でき、明確に " カウンターに粒子が入射したかどうかを区別することができる。
図 -8 は、" カウンターでの荷電粒子が " した位置である。シンチレーターの長さ 分の幅を持っている。（ただし、シンチレーターの幅の他に、位置分解能 $ も含）まれている。位置分解能は式 ;8.< より。

図  シンチレーターでの/52: ;188

図  荷電粒子の入射位置

図 -8' は、" カウンターに粒子が " した時間と衝突時間の差である。つまり、衝突点から " カウンターまでの飛行時間9ケーブルなどによるオフセットである。ピーク
がきちんと見えているため、" カウンターで時間が測定できていることが分かる。ちな
みに、このピークの幅は')%&* である。ピークの幅は " カウンターの時間分解能と の時間分解能および粒子の運動量の違いから決まる。飛跡の再構築ができ粒子の運動量が分かるようになれば、この幅を狭めることができる。

" カウンターは %9% 衝突実験において、正常に動作していると言える。

第-章



%9% 実験

図   衝突点から !% カウンターまでの飛行時間 の現状" カウンターに必要な :     は以下の . つである。

8 "  &     
8 , ? &     
'8  %&/8 G ?, &   1 



-8 # &  7I&
$8 ? G&& &  +48 "  7I&
68 1 P ?    
.8  :"  7I&

図  50 と !3（!65 1/<5281/

26552）

図  .2:5 と 3
（2:5 1/<5281/ 26552） ' までは、"  ? と , ? を測定するエレクトロニクスに関する量である。これらはすでに : が済んでいる。" カウンターに使用しているエレクトロニクス

は、 1  であり、図 -8/ はエレクトロニクスへの計測終了信号の !  を変えながら " の値を測定したものである。この傾きから、" チャンネル当りの時間

-8' " トリガー（）が分かる。図 -8- はエレクトロニクスへ入れる電荷の量を変えながら  の値を測定したものである。この傾きから、 チャンネル当りの電荷（）が分かる。また、切片から、%&（'）が求まる。

/ 4 までは、第一段階の : として大まかな値を得た（図 -8 -8'）。

/ はシンチレーター中の光の速さであるが、" カウンターの  位置の分布（図 -8）を作る際に使用する。図 -8 の分布がシンチレーターの長さと位置分解能の幅を持った分
布になることより求まる。
光電子増倍管からエレクトロニクスまでのケーブルの長さの違いによって、" カウン
ターの  位置に一定のずれを生ずる。これが - である。

$ は  チャンネル当りのエネルギー ) * であり、荷電粒子の最小エネルギー損
失がシンチレーターの厚さで決まることから求まる。

4 は各チャンネルのケーブルの長さの違いである。



6 . は、まだ求めることができていない。解析のためのソフトウェアを製作していかな
ければならない。

 トリガー

ここでは、 ではトリガーできない陽子・陽子衝突の  を " カウンターに
よって手に入れることができていることについて述べる。

 &&（ビームが衝突した、しないに関わらずビームが交差した） が.(ある  のデータを使用した。
そのうち、 でトリガーできたものが '' と " カウンターでトリガーできたものが - あった。 でも " カウンターでもトリガーできたものが .
あった。
すなわち、" カウンターを設置したことで、 でトリガーできない $ を救うことができる。
ちなみに、陽子・陽子衝突を再現するシミュレーションの結果では（表 8）、
は全 %9% 衝突のうち / - ％をトリガーできると考えられるので、全 %9% 衝突は

4 あると思われる。

図 

 !2::52 と !% !2::52

第-章



%9% 実験

 粒子識別 検出器には、" カウンターの外側にあるドリフトチェンバーにより、飛跡、運動量再構成を行う検出器がある。ドリフトチェンバーからの情報と "7+ と " カウン
ターから求まる粒子の飛行時間を用いて粒子識別を行った結果が図 -84 である。

 中間子、3 中間子と陽子が識別できており、" カウンターは粒子識別を行えることが確認された。

図   衝突実験での粒子識別



第章

まとめ




本研究では、陽子 陽子衝突におけるハドロン識別 測定専用のトリガー兼スタートタイミング装置（"  #  、以下 "# とする）の設計 開発を行った。

"# は、設置場所の関係上長さ  のプラスチックシンチレーターを使用し、時間分解能を良くするためにシンチレーターを光電子増倍管で挟んだ両読み型飛行時間測定器にした。
まず、光学的モンテカルロシミュレーションによりプラスチックシンチレーター及びライトガイドの形状の設計を行った。光収集効率及びタイミングの最適化により、長さ  のライトガイドと長さ  厚さ   のシンチレーターを組み合わせれば、 $%&の時間分解能を達成できることが分かった（ 年 $ 月）。
次に、"# が設置される場所は、'() &&* 程度の高磁場がかかっているため、高磁場
用 + 

&, 型光電子増倍管（-./0 0 0"12）の磁場に対する性能評価を行った。８ () &&* までの磁場を発生できるソレノイド磁石を用いて、磁場の強さ、磁場と光電子増倍管の角度を変えながら、光電子増倍管のゲインや時間分解能への影響を調べた。その結果、'() &&* 以下ならば、ゲインや時間分解能に対する磁場の影響は少なく、正常に動作することが判明した。
以上の成果をもとに、プロトタイプを製作し、33" ビームラインを利用してビー。)5 * の  中間子をシンチレーターに入射させムテストを行った（ 年 "/4.）
る位置を変えながら、また光電子増倍管にかける磁場を変えながら、"# の時間分解能を測定した。その結果、'() &&* の磁場中においても目標の時間分解能

$%& を得られることを確認した（ 年  月）。

 年 6 月までに "# 本体とそれを支えるための部品の設計を完了し、 実
験磁石の実物大模型を用いた設置練習、宇宙線による性能確認テストの後、米国へ搬出

し、 年  月下旬  実験にハドロン識別 測定を行う観測領域内に 6 組設置した。
そして、 年  月より  ヶ月間、陽子・陽子衝突実験が行われたが、"# は正常に動作し、系統的比較のためのデータ収集は成功のうちに終わった。また、"7+（飛行時間測定器）を用いた粒子識別を設計通り行えることが確認された。
今後の課題は、より正確に 
とである。

:

     を求め、粒子識別の精度を上げるこ



参考文献
)* 1%%&&  B  & P , " &&& &      '    0 9 0     

:



)* 1  B  ? ? 
& B BC ?,  ?, &  &  ? % &

& 



,   A%  &           ! " #""$ %&'E( 38)'* ", %  ,&> ( ' )&**& %)/* 高エネルギー重イオン衝突実験の為の高時間分解能飛行時間測定器に使用された
プラスチックシンチレーターに見られた経年変化について

..- 年度 筑波大学自然学類 卒業論文
大熊靖夫

)-*

 実験における陽子陽子衝突トリガーカウンターのための , &  F  の設計
 年度 筑波大学自然学類 卒業論文
團村絢子)$* わかりやすい +7"0 プログラミング、小林孝史 他 共著 、オーム社)4* 0 0! ばやってみんしゃい、中村幹広著、キャドワークス)6* + & & & B 8 '% ''&+" 

:





).* 7 P B  & & B , J&  8)*  !+""&' : & B ,   %    & ?  &  :  B
' 090  & &    %' )*  

:

8



 %  B , ? %  '  + ' &' ' : 

  %

  090  & &



謝辞
本研究を行うにあたり、とても魅力あるテーマを与えて下さるとともに、様々な点でご指導、ご助言を頂いた三明康郎教授には深く感謝致します。
江角晋一講師には、33 でのテスト実験の進め方や本研究の物理など様々な面で非常に有用なアドバイスを頂きました。
佐藤進氏（G）には、 モジュール、ケーブル、エレクトロニクスの準備、放射線手続きなど、現地の責任者と交渉が必要な手間のかかる作業をしてくださいました。また、インストール後も正常に " カウンターを動作させるために適切な方向づけをしてくださいました。
中條達也氏（G）には、お忙しい中様々な面で助けていただけました。インストールの際は、いろいろと手伝ってくださいました。
清道明男氏には、計算機について様々なアドバイスを頂きました。特に、" カウンターの 7++G での解析ためのソフトウェアを作成して頂きました。
蜂谷崇氏（広島大）には、" カウンターの: をする際にとても有用なアドバ

イスを頂きました。
小野雅也氏には、0" を用いたシミュレーション、33 テスト実験の遂行、、放射線の管理、検出器のインストールなど様々な面で活躍して頂きました。
黒木喜昭氏には、33 テスト実験でとても使いやすい !0 およびデータ解析用マクロを作って頂き、快適にデータ収集ができました。
坂井真吾氏には、%9% 実験での 7G

7"7 ソフトを完成させて頂きました。また、検出器へのスポンジ張りやテープ張りなどの地味な仕事を手伝ってくださいました。
團村絢子氏には、" カウンターによる運動量分解能の悪化の計算、 の設計、開発などして頂きました。
技官の加藤純雄氏、益井宙メンバー、進藤美紀氏には、33 実験での物品の搬入搬出を手伝ってくださいました。
本研究は上記のように多くの方の支えの上で行うことができました。お世話になった皆様に心から感謝を申し上げます。



光学 

   コード

               ! "# $  $ %& '( )*+)) ,, ), -.-/ ,0*"01) " 1)#+ /-"+ *"012*"-3 4
 *"/"- -/ 3,0*"04 , $*"0$*"03,0*"04% ), -.-/ )1+1,1151151/-21/-25
& /-"+ 6-34'( /-"+ "71" 1"8
 /-"+ "*71"* 1"*8 /-"+ 91 #1 :1+-,.  /-"+ 951 #51 :51+-,. 5 /-"+ )-51 )-
% /-"+  &' /-"+ ), -,) #341;34
( /-"+  1 ), -.-/ < :51<1,1)1)
 /-"+   1/6-341 1 63  1 4
 /-"+ 5 16 1 =1 >1 5 "/" -/' 534$?,?1? >?$% "/" -/' 534$? +). ?$& "/" -/' 534$??$' "/" -/' 534$??$(   @ 34
 = @ 34
  -A;)6"+-,- 3@ 341 :5413@ 341  4 /-"+ /",> -9 -/,"+ /",),
% /-"+ /",>
& -9 -/,"+ /)->-"#'( , $*), $"71" 1"81"*71"* 1"*81+1  1



光学

     1  , $ ), )$ 91 #1 :1/-21+-,. 1 , $ +.$ 951 #51 :51/-251+-,. 515  "++ +)) 3,0*"04  "++ /*-,31?-/#?1? = BCD?1?,?1 1) " 4
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' .  ((((
( -,>)2% % "++ >)/3?$$-/#?1F4%   !3 1?G =?11?$$-/#?1 1 54
% "++ CD,3 1?+). ; *; ?11?$$-/#?1 1 ".4% "++ CD,3 1? ?11?$$-/#?1 1 ".4% "++ CD,3 1? 5 ?11?$$-/#?1 1 ".4%%  = & < :5 1 1
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&
シンチレーション光の数&% , B   B  B&&  7HI&' 9B&( #'B' :G B' ' 95 9$B' #5B' :5 B'  :5/-"+3< :54$ B'% '&  = & <1'' '( ;34 B( ;34 B( ), -,) #34 B( ), -,) #34 B( ), -,) #34 B( ( 
(% 5(&    B(' 
(( 5 , B   =  )1,  "++ /","/36-14
   シンチレーション光のスタート位置  "73B 6-34B 4 9$B % " 3B 6-34B 4 #$B & "8 : '
 ( "++ 2;,+9*3/",),12*"-1 B 1( B 4

 コード "++ 2;,+;932*"-1/",>14
  シンチレーション光の方向ベクトルの決定
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