501201■談話室

CERN Summer Student Programme 2015 参加報告
東京大学理学系研究科物理学専攻修士１年

樊 星
xfan@icepp.s.u-tokyo.ac.jp
2015 年 9 月 16 日

1

はじめにした。学生たちはいろいろと質問をしてくれて，なんとかそれに答え，詰まるところは教員に助言をもらう，という

CERN Summer Student Programme とはスイス・ジュ

形で 20 分ほど話した記憶が有る。GEM について学べた上ネーブに位置する欧州原子核研究機構(CERN)の開催する夏大勢の前で話す貴重な経験もできた，収穫の多い Workshopの学校であり，物理，数学，計算，物質工学など幅広い分であった。

野から学部後期あるいは修士前期の学生を 300 名弱採用し，2.3

研究

CERN での研究に参加させるプログラムである。その 2015

プログラムの全期間を通じて，各学生は指導教員のもと年プログラムに参加した私の研究および生活について述べCERN でのプロジェクトを与えられる。私は PH-DT 部門る。の Beatrice Mandelli 氏の下で RPC というガス検出器の新2

活動について2.1

講義

7 月 6 日から 8 月 7 日までの平日は午前中に講義があったなガス配合の探索を行った。なお，基本的なガス検出器の原理と RPC の特性については[1],[2]などを参照いただきたい。
2.3.1

RPC とガス配合た。講義では素粒子実験の基礎から加速器，検出器，統計，RPC とは Resistive Plate Chamber の略称であり，bakelite解析，さらには医療まで様々な内容を扱った。もちろん CERNなどの高抵抗プレートを数 mm 離して平行に配置し，数~ということなので LHC，FCC，CLIC，ISOLDE，AD など10kV/mm の電場をかけて動作させるガス検出器である(図CERN に関する内容を扱うことが多かったが，普段日本の1)。荷電粒子がガス領域を通過すると，ガス分子を電離さ講義を受けている身からすると，むしろ新鮮味が多く楽しめた。とくに FCC についての講義は鮮明に覚えており，2050

せ，電離された電子は雪崩増幅により 10 以上増幅する。1 m程度のプレート面積により広検出領域を確保でき，また平年を目処に稼働，なんて数字が出ると一研究者として人生行電場がかかっているためほかのガス検出器と異なりドリを捧げてみたい衝動に駆られ，ぞくぞくしたものだ。

フト領域が存在せず，時間分解能とレート耐性が非常に良2.2い。

Workshop626

多岐にわたり開催された。特に印象深く残っている Micro

RPC には二種類の動作モードがあり，雪崩増幅度が 10程度では読み出し電荷 1 pC，時間分解能 1 ns 未満，レート

Pattern Gas Detector Workshop に つ い て 記 す 。 そ の耐性 1 kHz/cm 程度の avalanche モードで動作し，雪崩増幅

Workshop では GEM を自分の研究としている Summer

度が 10 程度では読み出し電荷 10 pC，時間分解能数 ns，レーStudent の手伝いを行った。彼のプロジェクトは GEM の増ト耐性 100 Hz/cm 2 以下の streamer モードで動作する。

様々な研究現場を，実体験を通じて学べる Workshop が幅度測定であったが，ドリフト電場によって増幅度が変わるという現象に悩まされていた。Workshop ではそれが物理

28Streamer mode は増幅度が Rather limit を超えたときに現的原因によるものだと特定したのち，ドリフト電場を掃引しながら増幅度を再測定した。増幅度のドリフト電場に対する依存性を定量的に示したところで時間切れとなったが，これらの結果は GEM グループに引き継がれ以後の研究に利用されている。
また，GEM について以前から関心があったので積極的に議論していたところ，Workshop の教員に目を付けられ，自分の研究である RPC（後述）について学生の前で講義をするように頼まれた。学生 5 名ほどと，GEM を専門にする教員の前でホワイトボードを用いて RPC について簡単に説明

図1

RPC 検出器の概略図。二枚の平行プレートの間にガスを封入し，数~10 kV/mm 程度の電場を印加して作動させる。

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れるモードであり，avalanche モードとは異なる物理過程である(図 2)。二つのモードのどちらで動作するかは印加電圧

本実験ではギャップ 2 mm の RPC の上下に 2 枚のプラスチックシンチレーター（プラシン）を配置し，宇宙線をトおよびガスの電子親和力を調整し，増幅度を調整することリガーすることで測定を行った。DAQ は CAEN の V1730で決定できる。時間分解能およびレート耐性を優先し，Digitizer で行われ，一つのガス配合・印加電圧セットに対ATLAS や CMS の RPC は avalanche モードで使用されてし約 2 Hz の DAQ レートで 10 分程度データを取得した。

おり，われわれもこのモードでの作動を追求した。

解析には図 3 の上側の RPC のみを使用した。

封入ガスとしては，イオン化されやすくある程度の電子親和力のある C2H2F4 を 95.2%，軟 X 線の吸収クェンチャである iC4H10 を 4.5%，増幅度調整のための電子親和力の非常解析について述べる。今回のデータ取得は CAEN の V1730
Digitizer で行ったため，そこから avalanche および streamerモードを判別し，時間情報，パルス波高，総電荷量を算出した。それらの物理量を抜き出した後，まずは電圧を変えに高い SF6 を 0.3%混ぜた「標準混合」と呼ばれるものがることで streamer mode が増えることを確認した。図 4 にATLAS，CMS で用いられている。この標準配合を用いれ電圧を変えた時の総電荷量のヒストグラム変化を示す。電ば avalanche モードで作動させることが可能であるが，環圧を上げるにつれ streamer モードが増えていることがわか境への影響という観点から見ると，C2H2F4 および SF6 は CO2る。の 1000 倍以上の温室効果を持ち決して優れたガスとは言えない。そこで，次世代の RPC のためのガス配合として，また，RPC の検出効率を算出するにあたり，プラシンを鳴らす宇宙線のうち，どれほどの割合が RPC を通るかを知

1) 標準配合と同等の検出効率，時間分解能を持ち，る必要がある。その計算についてもシミュレーション用い

2) 環境に悪いガスをなるべく含まないて較正を行った。その補正をしたのち，電圧の関数としてという条件を満たすものが求められている。

検出効率および信号中の streamer モード比率がどう変わるかを考察した。図 5 に標準混合の SF6 比率を変えた時の検出効率(実線)と streamer モード割合（破線）のプロットを示す。 SF6 により streamer モードが抑えられ，標準混合において 9.6~9.8 kV で条件 1)に合致する良い動作をすることがわかる。

図2

streamer mode，avalanche mode の概略図と読み出し信号。

2.3.2

実験について以上をもとに，新たなガス配合探索に向けた実験を行った。実験は探索のためのセットアップの立ち上げから始まった。RPC 自体はあったが，実験室の温度，圧力，湿度のモニター，内部ガスの流量測定，RPC への印加電圧および電流の記録，シグナル読み出しのエレクトロニクス，解析方

図4法の確立など，ガス配合探索に必要なセットアップは揃っておらず，すべての環境を一から構築した。期間中に標準分布変化。高電圧において streamer モードが増えていることがわかる。

標準混合において，様々な印加電圧に対する総電荷量の配合のほかに様々なガスをテストしたが，ここでは標準配合についてのみ述べる。図 3 に今回用いたセットアップを示す。

図5
図3

本 RPC のセットアップ。RPC 上下のプラシンでコインシデンスをとり宇宙線をトリガーして DAQ を行った。

標準混合および SF 6 の量を変えた配合での，検出効率および streamer 比率の電圧依存性。SF6 が streamer を抑えることと，標準混合(SF6 0.3%)において，9.6~9.8 kV で良い動作をすることがわかる。

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203

4

プログラムへ本でしかをしていない にとって，このプログラムを通 て様々な環境を体験できたことは非常にであった。検出
幅い環境を一度に体験し，をい出すこともできた。ここでなく様々なの図6

る合について，その時間モードを分らにする解析はが加えられるすることが本を代同をもっとすべきであるとう。

みやみけでして加した

Poster Session およびの同のを増やすでのスターで行われる Lecture

Session は，1間に 1 度程度まで増やしても良いともっとのとア

さらに，図 2 のような avalanche・streamer signal

自分のったことを自分の一つであると考えている。

は 50 nsの分布。時間にを通一方で，このプログラムは標準混合において，様々な印加電圧に対する Avalanche

Signal と Streamer Signal の時間程度である。

，解析，シミュレーションなど，くをきたいし，自分のう。

についてもっールをしたかった。

方がを抜き出す解析を行った。

めてのみであり，これからさ定である。図 6 にその果を示す。

2.3.3
析本 Summer Student 期間中に確立した実験 法および解法は，今後どのようなガス配合をテストする上でも用可能なものである。また標準配合以てのテスト果は，本後にのガス配合についとして出される可能性があるためここには記さなかった。今後もとコンタクトを けることで RPC の3

図7についてしていた。Summer Student Football Club は，動にSummer Student

加内のmatch を通て football をある。もち動をべての match にしとした Club でことを優先し，football はすべてことや自分のミスからに非常にしさとセンター
得点を量ルシャて出をがることものされるようになり，それからは一のアとのイレクトシューで得点を，常にえてくれた。この Football Clubは非常にく，CERN 内では らのの について きClub での一枚を図 7 に示す。ているのは Summer Student 2015 オリ，ナした波様，とくになりました。にはのにあたりく中をしていた き， 変しております。CERN のである Beatrice 様および検出 グループの 様は，のををにしてき，おかげで一つのプロ行することができました。また，本ののなさ動を加するにあたり，KEK の様には非常にお世になれた。
ったこともあり，football のアをたからのードに抜されるほどのにく，ほかのに置取りのセンスを見出されては，いときは 20をである。

このプログラムにしてしまう

ル，そしてできるようになった。とくにからはす

点に様のシャ5めこそはパスやドでなかった。しかし，次トのうまかったがール合を行った。

。ちなみにこのシャに験であったため，ルがうまくできず，数でされ， 二回の加した。

は football通で構えるがに行われた。 はプログラム中の Football Club す動

Summer Student Football Club での一枚。

をの時間は Summer Student Football Club の動以リに わるつもりである。

様に様には言をいたき

後に，本からの，変お世本さ変でェクトかれているになりました。とくにシ々のからまで，様々しております。
加のおかげでであるさしい時間を過，さ，すことができました。ありがとう。にを くもらえた。Football[1] F. Sauli, Gaseous Radiation Detectors. Cambridge Univ.
Press, 2010.
[2] Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments; 2nd ed. Springer, 1994.