原子核乾板における新しい自動飛跡認識技術
Development of new automatic tracking techniquein nuclear emulsion

福田 努 （東邦大学）

新学術領域研究 「ニュートリノフロンティア」研究会 2013年12月8日 クロス・ウェーブ府中

イントロダクション 近代の原子核乾板の利用は自動飛跡読み取り装置TS (Track Selector) の開発とともに進展してきた。
 これまでのTSは主に”高速化”に重点を置いて技術開発が進められてきた。
 本研究では従来とは質的に異なる開発指針、TSの”大角度化”と”高精度化”を進めた。
2

● Fine Track Selector (FTS) system overview

オリジナル
UTS 1 view :120 m × 100 m

Large view size
 enough size for large angle
track within one view.
Tracking at GPU good flexibility to improve
tracking algorithm. 3

● 原子核乾板における自動飛跡認識

16層断層画像取得

平滑化

二値化

拡大化

PHカット

重ね合わせ乳剤層を貫く直線飛跡を検出する。

4大角度化● 大角度飛跡認識
OPERA実験におけるντ反応とBG事象の識別

Signalντ(ντCC)

核破砕片

Background ν(νμNC)

τμ乳剤
層θ FTS( |tanθ|<3.5 )従来の角度測定範囲( |tanθ|<0.6 )

eff = 99.8% @ 90%C.L (PH>13; 2.0<|tanθ|<3.0)
5T. Fukuda et al., 2013 JINST 8 P01023，[arXiv:1301.1768]

● FTSを用いて得られた結果

大角度化

OPERA ECC でのハドロン反応における核破砕片付随率

50%

Data:
MC :
2104
ハドロンビーム運動量 (GeV/c)

OPERAで検出したタウニュートリノ反応候補に適用し、ハドロンバックグラウンドを30%低減した。

大角度 最小電離粒子飛跡 の自動認識
解析を進める中で、検出効率が高いことに気付いた。
（ここまでの大角度はこれまで検討されてこなかった）
テスト実験@ CERN

Conventional emulsion gel(G.D. = 34/100μm)

6高い検出効率で自動認識できることを実証した。

● 大角度飛跡解析の展望
OPERA検出器による宇宙線の解析

大角度化

低エネルギーニュートリノ反応の研究① 大気ニュートリノ振動によるντ出現事象の探索

地球の裏側からのνPEANUT BL112② 高エネルギー宇宙線事象の詳細解析

PEANUT解析及び将来実験において、低エネルギーニュートリノ反応の検出効率、低エネルギー電子飛跡の検出効率 ・エネルギー測定精度7の向上が期待できる。

高精度化● 近代の原子核乾板の解析① 自動飛跡読み取り装置を用いてフィルムをスキャン
スキャンは高速だが、ノイズも読み取ってしまう。

② 肉眼観察を行い、最終判定（シグナル/ノイズ分別）を行う。
最小電離粒子（フィルムを貫く直線飛跡）の認識手順
OPERA フィルム

シグナル

20μm

ノイズ

100keV 電子

自動飛跡読み取り装置

直線に並ぶ銀粒子の列を読み取る。

肉眼観察

直線でなくとも、直線状の成分があれば読み取ってしまう。

8

膨大な肉眼観察がボトルネック→これを低減して、解析を高速化する。

高精度化● 飛跡選別の高精度化（@ OPERA）

飛跡クォリティを、濃さ情報と直線性の確率密度関数を基にした尤度比により数値化→ 肉眼観察量の低減 （Track Ranking 法: T.Fukuda et al., 2010 JINST 5 P04009）
シグナルらしさLsignal  i 1 PVPH isignal ( ) * i 1 PdAmicro isignal ( , ph ) * i 1 PdAbase isignal ( ) * i 1 PdXbase isignal ( )ノイズらしさLnoise  i 1 PVPH inoise ( )48224Lsignal
最小電離粒子らしさ Track Ranking Score ( R )  log noiseL
2D Analysis

飛跡の濃さ

SignalNoise

直線性

選別パラメータを使い切っているため、さらなる高精度化へ向けて飛跡認識アルゴリズムを改良し、新たな選別情報を抽出する必要がある。

9● Tracking in FTS
高精度化のコンセプト

高精度化

1．肉眼観察レベルに画像情報量を増やす。
2．肉眼観察で行っている選別方法を反映させる。

1. 画像情報量を増やす。

2. 新しい選別パラメータの抽出。
銀粒子の直線性

飛跡の周囲の銀粒子数

銀粒子間距離の最大層数10高精度化

● 32層スキャン

飛跡認識に使用する断層映像層数を従来の16層から32層に増やし、FTSで再測定。
両面の乳剤層のうち、いずれか一方でも飛跡が再認識されていることを要求する。
評価サンプル
要・肉眼観察Noise
Track Rankによる自動判定: FakeAt leastone trackSignal
Noise reduction rate
Track Rankによる自動判定: TrueR058% Noise reduction
評価サンプル：
シグナル→ 95本
ノイズ → 441本

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● 新たな選別パラメータ
飛跡を構成する銀粒子の直線性

高精度化

飛跡の周りの銀粒子数

銀粒子間距離の最大層数

True
True
Fake

True
Fake

新パラメータも Track Ranking に含める。

Fake

ノイズ飛跡を含むTrackを除く

50% Noise 低減

ノイズ12高精度化

● FTSによるS/N選別

従来の選別方法で識別が困難だった
シグナル飛跡 95本、ノイズ飛跡441本 に対してFTSによる再選別を行った。

79% Noise reduction

OPERAフィルム1枚に対して、
シグナル飛跡 再認識率 → 99%
ノイズ飛跡 再認識率
→ 21%
OPERAフィルム2枚に対して、
シグナル飛跡 再認識率 → 98%
ノイズ飛跡 再認識率
→ 5%

FTS:
32 layer scan

FTS:new prm

for OPERA film

for OPERA film
doubletSignal95 → 94

94 → 94

94/95＝0.99

0.98

Noise

441 → 186

186 → 94

94/441＝0.210.05

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● 高精度飛跡認識の展望

高精度化

パラメータをチューニングしてＯＰＥＲＡフィルムに最適化
OPERA、ＰＥＡＮＵＴ解析に適用し、解析を高速化
ＨＴＳ→ＦＴＳの流れを確立
新乳剤に対するチューニング
次期低エネルギーニュートリノ研究の解析に適用
高精度飛跡認識アルゴリズムのさらなる改良• Grain by grain の認識による高精度化
14• Sub-MeV～MeVの低エネルギー電子の自動認識

● まとめ

原子核乾板実験の解析において自動飛跡認識の「高速化」と相補的な役割を担う、「大角度化」及び「高精度化」について開発研究を行った。



新たにFTSを開発し、これまでの約6倍に渡る角度測定範囲において核破砕片や最小電離粒子を高い効率で自動飛跡認識できることを明らかにした。

FTSの大角度飛跡測定技術を用いて、OPERA実験におけるタウニュートリノ反応のハドロンバックグラウンドを30%低減した。また、OPERA検出器での大気ニュートリノ振動によるντ出現探索や宇宙線解析等といった新たな研究テーマも生まれてきた。



従来の２倍の画像情報、銀粒子の直線性・飛跡の周囲の銀粒子数・銀粒子間距離を用いた新たな飛跡選別アルゴリズムを考案し、シグナル飛跡再認識率98%の元で、ノイズ飛跡の95%を低減させることに成功。



肉眼観察の自動化を追究することでOPERA実験・PEANUT実験・将来のニュートリノ実験での解析速度が大きく向上すると考えられる。

原子核乾板自動飛跡認識の「大角度化」・「高精度化」は汎用的な解析技術で、ニュートリノ研究のみならず、様々な将来計画にも波及すると
15考えられる。

ばっくあっぷ やで。
16

● 低エネルギーニュートリノ反応の研究
Sub-GeV~数GeVのニュートリノ研究200~500MeV

ニュートリノ反応断面積データの不一致

Charm Penta quark ?

ΛCのProduction thresholdenergy でテスト

MiniBooNE実験のexcess

c0

第4世代目？
ダークマター？
E531 special eventu du dc17

● PEANUT実験

2005年～2008年にかけて
Fermi研究所（米）で行った
OPERA実験のリハーサル
ニュートリノエネルギー

Epeak= 3GeV
低エネルギー
ニュートリノ反応解析

既に原子核乾板へのビーム照射は終わっており、多数のニュートリノ反応が蓄積。

PEANUT BL112

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● 現在進行中：史上最大規模の原子核乾板実験
長基線ニュートリノ振動実験 OPERA
ニュートリノに質量があれば振動する（牧・中川・坂田）→SKで示唆
ただし、素粒子標準理論ではニュートリノの質量はゼロとされている。
→ ニュートリノ振動解明は、素粒子物理学における重大な課題
飛跡検出器：OPERA film
CERN


732km

ECC：
鉛板56枚
鉛板 : 1mm OPERAフィルム57枚

17GeV

LNGS

νμ⇒ντニュートリノ振動をντの”出現”で検証する。
唯一、ντを検出した実績のある原子核乾板を用いて、ニュートリノ振動現象の有無の最終決着をつける。
57枚のOPERAフィルム×15万ECC=＞900万枚のフィルム

最大の課題： 大量(大面積)のフィルムを如何にして解析し切るか。

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高精度化

●飛跡読み取り速度の高速化と課題
Scanning speed (cm2/h)

OPERA
DONuT
CHORUS

TS
1983

NTS
1994

UTS
1998

SUTS
2007

HTS
2013-

・原子核乾板の高速読み取り技術の発展とともに規模を拡大してきた。
・将来実験に向けてさらなる高速化が進められている。
ただし、100倍の速度向上は、単位時間当たり100倍の肉眼観察が発生することを意味する。

現実の解析

飛跡読み取りの高速化が進み、大量のスキャンデータが発生し、20
肉眼観察も大量発生することになった。

New automatic emulsion scanning systemwith wide-angle acceptance

大角度化

New automatic emulsion scanning system wasdeveloped to detect large angle tracks which
are out of angle acceptance of a conventionalscanning system.
for Hadron BG: already applied 30% BG reduction
for Charm BG: under study

New developments & BG reduction

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