10■研究紹介

T2K 実験ニュートリノビームモニター(INGRID)
京都大学大学院理学研究科

南 野

彰 宏，大 谷将 士

minamino@scphys.kyoto-u.ac.jp, masashi.o@scphys.kyoto-u.ac.jp
2010 年 5 月 28 日

1 はじめにニュートリノビームモニターの開発は，京都大学，フランス Ecole Polytechnique，高エネルギー加速器研究機構，

2009 年 4 月に開始した東海-神岡間 長期線ニュートリノ

大阪市立大学が中心となって行った。2005 年に R&D を開振動実験(以下 T2K 実験)は，茨城県東海村に建設された大始し，2008 年 4 月から 2009 年 8 月の間に検出器の製作お強度陽子加速器施設 J-PARC の 50GeV シンクロトロンを用よび設置を完了し，2009 年 4 月から 12 月のビームコミッ

いて生成したほぼ純粋なミューオンニュートリノビームを，

ショニングを無事終え，現在は 2010 年 1 月から始まった物

295 km 離れた岐阜県飛騨市の 5 万トン水チェレンコフ検出

理ランの最中である。本稿では，ニュートリノビームモニ器，スーパーカミオカンデ(Super-K)で観測する実験である。

ターの開発の経緯と現状について紹介する。

大強度ニュートリノビームと後述する off-axis 法により，世界最高の精度でニュートリノ振動の測定を行う[1]。

T2K 実験では，ビーム軸をスーパーカミオカンデ(以下SK)に向かう方向から数度ずらす off-axis 法を採用する。こ2 ニュートリノビームモニター(INGRID)
2.1 目的の手法を用いると SK 方向にシャープなエネルギー分布をニュートリノビームモニターの目的は，ニュートリノを持つニュートリノビームを作ることが可能となり，そのピー直接測定し，その空間的な広がりを観測することで，T2K

クエネルギーは off-axis の角度によって調整できる。SK で実験で要請される 1mrad よりもよい精度でニュートリノ

の振動確率が最大となるエネルギー領域のフラックスを増ビームの方向を測定・監視することである。

やし，ne 事象探索時のバックグラウンドとなる高エネルギー

T2K 実験では，ニュートリノビームの方向を測定するも領域のフラックスを減少させるために，T2K 実験では，う一つの検出器として，ミューオンモニター(以下 MUMON)

off-axis の角度として 2.5 度を選択した。この手法では，実がある[2]。MUMON はミューオンニュートリノと共に生成

験がビーム方向のずれに非常に敏感になるため，ニュート

されるミューオンの分布を測定することで，ニュートリノ

リノビームの方向・安定性の測定・監視を行うシステムがビームの方向を即時に監視できる装置であるが，ビームダ必須である。この目的のために陽子標的から 280 m 下流のンプを通過できる高エネルギーのミューオンしか観測でき

前置検出器ホールにニュートリノビームモニターを設置しないため，ニュートリノビームのごく一部にのみ感度があた(図 1-1)。

る。一方でニュートリノビームモニターは，反応率の低い
ニュートリノ反応を使用するため，必要な統計を得るためにしばらくデータを蓄積する必要があるが，ニュートリノ
ビームを直接監視できる装置であり，MUMON とは互いに相補的な関係にある。

T2K 実験では，
陽子ビームラインモニター[3]，MUMON，
ニュートリノビームモニターを用いて，ビームを常時監視しながら実験を行う。

2.2 要請ニュートリノビームモニターは陽子標的から 280 m 離れ
図 1-1

Off-axis 法とニュートリノビームモニター

た位置に，ビーム軸を中心に設置される。図 2-1 は，陽子11
標的から 280 m の位置で相互作用したニュートリノのシミュ
レーションで予想されるプロファイルである。この図からニュートリノビームは広く分布しており，そのプロファイ
ルから中心を再構成するにはビーム軸の周り 5 m の領域を覆う必要がある。これが一つ目の要請である。ニュートリ
ノビームモニターは，デザイン強度( 750 kW )が達成されてからは 1 日毎にビーム強度や方向の安定性をモニターする必要があり，数十トン級のニュートリノ標的が必要である。
これが二つ目の要請である。
図 2-2

図 2-1

シミュレーションによる前置検出器ホール(陽子標的から280 m の位置)で相互作用したニュートリノビームの，ビー
ム軸から水平方向 5 m ，垂直方向 50 cm の領域でのイベントプロファイル

ニュートリノビームモニターの構成

図 2-3

モジュールの模式図

2.3 検出器の構成
上記の要請を踏まえて，図 2-2，2-3 のように比較的扱いやすい大きさ( 1.2 m ´ 1.2 m ´ 0.9 m )のモジュール 14 台をビーム軸中心 5 m の領域に十字型に配置し，ビーム方向を測定する方法を採用した。その結果，ビームプロファイル
全体を巨大標的で覆うデザインに比べて，読み出しチャンネルや標的の量を大幅に減らすことができた。そして検出器には，数個の格子(GRID)からなるという構成から，Interactive Neutrino GRID(INGRID)という名前をつけた。
INGRID の各モジュールは図 2-3 のように， 6.5 cm 厚の

図 2-4 INGRID で観測されるニュートリノイベントの模式図

鉄ターゲット 9 枚とトラッキングプレート 11 枚のサンドイッチ構造からなる。鉄ターゲットは 1 モジュールあたり約 7.1
トンで，14 台で約 100 トンの大質量ターゲットを実現して3 検出器概要

いる。トラッキングプレートは，それぞれ縦横にセグメン

この章では，トラッキングプレートの構成要素(プラスチッ

ト化された 2 枚のプラスチックシンチレーター層からなる。

クシンチレーター，波長変換ファイバー，新型半導体光検

そのシンチレーション光は，波長変換ファイバーと新型半出器，トラッキングプレート本体)と DAQ システムについ導体光検出器(MPPC：Multi-Pixel Photon Counter)で読みて，その概要を述べる。

出される。

INGRID は図 2-4 のように，ニュートリノの荷電カレン

3.1 プラスチックシンチレーター

ト反応により鉄ターゲットで生成されたミューオンの軌跡

INGRID に用いるシンチレーターは，アメリカのフェルをトラッキングプレートで捕えることにより，ニュートリ

ミ国立加速器研究所で開発された，押し出し成型シンチレー

ノイベントを同定する。そして各モジュールのニュートリ

ターである。これはポリスチレンに PPO，POPOP を質量ノイベント数分布からニュートリノビーム中心を再構成し，比でそれぞれ 1.0%, 0.03% 混ぜたもので，発光量が最大とその方向を測定する。

なる波長は 420 nm である。INGRID 用シンチレーターは，

122007 年 12 月から 2008 年 2 月にかけて，同研究所で製作された。その総数は予備も含めると 10,272 本で，総重量は約6.2 トンである。
シンチレーターの大きさは，長さ 120 cm ，幅 5 cm ，厚み

1cm である。表面には，製造の段階で酸化チタン( TiO2 )ベースの反射材がコーティングされている( 1cm ´ 5 cm の切断面を除く)。図 3-1 にあるように，シンチレーター中央には直径 3 mm 程度の穴があいており，この穴に波長変換ファイバーを通して，シンチレーション光を読み出す。検出器製作の際に， MPPC で光量を読み出す面とは逆側の面( 1cm ´ 5 cm の 切 断 面 ) に 反 射 材 (ELJEN Technology 社

EJ-510)を塗布し，シンチレーション光が外に漏れるのを抑
えている。

図 3-2

MPPC と波長変換ファイバー間のオプティカルコネクター(GOMI connector)

3.3 新型半導体光検出器(MPPC)INGRID を含むすべての T2K 前置検出器で，シンチレー
シ ョ ン 光 の 読 み 出 し に 新 型 半 導 体 光 検 出 器 (MPPC ：Multi-Pixel Photon Counter)を用いている。MPPC は，コンパクトで高増幅率，磁場中で動作可能，比較的低コスト，
低い動作電圧，高い光検出能力といった特徴を持ち，前置検出器に最適な光検出器である[5]。2005 年 8 月にコラボレー
ションにより採用が決定された後，京都大学，浜松ホトニ
クス，KEK 測定器開発室，他の実験への実用化を目指す他
大学で共同開発を行ってきた。そして表 3-1 にある T2K 前
置検出器の要請を満たす製品(S10362-13-050C)の開発に成
図 3-1

INGRID のプラスチックシンチレーターの模式図

5 cm ´ 1 cm の面の中央には直径 3 mm 程度の穴が逆側まで空けてあり，ここに波長変換ファイバーを通す。

3.2 波長変換ファイバー
INGRID で用いる波長変換ファイバーは，クラレ社のY-11(200)MS で，その直径は 1mm である。このファイバー

功し，2008 年から大量生産を開始した。図 3-3 と表 3-2 が，その写真と仕様である。MPPC の納入は順調に進み，2009
年 2 月に前置検出器全体で必要な約 63,500 個(予備を含む)の納入が，約 1 年という短期間にスケジュールどおりに完了した。MPPC を実際の大型実験に採用したのは T2K 実験が世界初である。

INGRID 用のシンチレーター
で吸収率が最大となる波長は，の発光量が最大となる波長( 420 nm )とほぼ一致している。

表 3-1

INGRID で用いられるファイバーの全長は約 12 km である。
ファイバーはシンチレーターと同じ長さにカットし，

ピクセル数

T2K 前置検出器の MPPC に対する要請

INGRID

オフアクシス検出器

> 100

> 400

MPPC 読み出し側には五味慎一氏(京大)によって開発されゲイン> 5 ´ 105

 106

たオプティカルコネクター(GOMI connector)をオプティカ

ノイズレート< 1.5 MHz< 1.5 MHz

ルセメント(ELJEN Technology 社製 EJ-500 optical cement)

光子検出効率

> 10%

> 10%

で接着した。GOMI connector は，図 3-2 にあるように，プチャンネル数

10,00050,000

ラスチック製の 2 パーツからなるコネクターで，ファイバー
端面と MPPC のセラミックパッケージとを密着した形で接続することができ，光漏れを防ぐ構造をしている[4]。このコネクターは，着脱が容易で，接続面での光量の損失も小さい。ファイバーの MPPC との接続面については，光量の損失を減らすために，ダイヤモンドバイトを用いたファイバー仕上げ工具(Fiber Fin 社)で研磨する。ファイバーのMPPC から遠い側の端面は，シンチレーション光をそこで反射させる目的で，ダイヤモンドカッターで研磨後，反射材(ELJEN Technology 社 EJ-510)を塗布した。

図 3-3

T2K 実験前置検出器用 MPPC(S10362-13-050C)

13
表 3-2

T2K 実験前置検出器用 MPPC(S10362-13-050C)の仕様

粒子通過位置がわかるように，ビーム方向にセグメント化項されている。隣り合うモジュール間では一つの VETO プレー

目

仕

様

1.3 ´ 1.3 mm

有感領域

2

2

ピクセルサイズ50 ´ 50 mm

ピクセル数

667

動作電圧

70 V (typical)

トを共通で用いるため，VETO プレートの総数は 14 モジュールで 44 枚になり，読み出しチャンネルの総数は 22 ´ 44 = 968
チャンネルである。

5ゲイン

7.5 ´ 10光子検出効率 30%

ダークノイズ< 1.35 Mcps (閾値 0.5 p.e. )(ゲイン = 7.5 ´ 105 の時)< 0.135 Mcps (閾値 1.5 p.e. )デバイス数(予備を含む)

63,500

表 3-3 に INGRID の読み出しチャンネルの総数をまとめ
た。
表 3-3

INGRID(14 モジュール)の読み出しチャンネルの総数項

ターは，荷電粒子のトラックを再構成できるように，ビー
ムに対して垂直平面内に，24 本を一方向( x 方向)に敷きつめた後，残りの 24 本を先ほどの方向と垂直になる方向( y 方向)に敷き詰める。固定フレームを含めたトラッキングプレー
トの概略図を図 3-4 に示す。シンチレーター24 本 ´ 2 層は，接着剤(セメダイン社 PM200)で接着された上で，4 辺をアルミバーで固定され，両側面はそれぞれ 4 枚のアルミパネ
ルと 1 枚の遮光用プラスチックパネルで覆われる。パーツチャンネルの総数

トラッキングプレート

7,392

VETO プレート

968

合計

8,360

3.4 トラッキングプレート
トラッキングプレートの 48 本のプラスチックシンチレー目

3.4 DAQ システム
INGRID の DAQ システムは，他の前置検出器と共通(FGDと TPC を除く)で，イギリスのラザフォード研究所，インペリアル大学，オックスフォード大学が中心となり開発を行った。
図 3-5 にあるように，INGRID のエレクトロニクスは Front

End Board(FEB)と Back End Board(BEB)の二つに分けられる。

の隙間には遮光ゴム(EPDM)を接着し，光漏れを防いでいFEB の Trip-t Front end Board(TFB)は，アメリカのフェる。トラッキングプレートの読み出しチャンネルは 48 個で，ルミ国立加速器研究所で開発された Trip-t chip を 4 枚用いモジュールあたり 11 枚のトラッキングプレートが取り付けて，最大で 64 個の MPPC の読み出しを行える。INGRIDINGRID 全体は 14 モジュールからなるので，トラッられる。

では，トラッキングプレート毎に TFB を取り付け，1 枚でキングプレートの読み出しチャンネルの総数は48 個の MPPC の読み出しを行っている。TFB と MPPC は

48 ´ 11 ´ 14 = 7, 392 チャンネルとなる。

同軸ケーブルで接続される。TFB は FPGA(Xilinx Spartan-3

各モジュールの側面は， VETO 用のシンチレーター層

XC3S2000)で制御され，おもに次のような機能を持つ。

(VETO プレート)で覆われていて，最前面のトラッキング 電荷量のデジタル化(ADC)

プレートとともに，宇宙線や前置検出器ホール壁でニュー ヒット時間のデジタル化(TDC)

トリノが反応して生成された荷電粒子によるバックグラウ
ンドイベントを排除する。VETO プレートのデザインは 1層構造でシンチレーター22 枚からなる。
VETO プレーンは，

 各 MPPC への印加電圧の調整
 TFB の入力電圧や温度のモニター

図 3-4 トラッキングプレートの模式図
パーツの隙間を遮光用ゴム(EPDM)で塞ぐことにより，トラッキ
ングプレート内部は外部から遮光されている。

図 3-5

DAQ システムの概略図

14
表 3-4 に TFB の仕様をまとめた。TFB は，ビームスピル

4.1

MPPC の大量試験

トリガーを受け取ると，ゲートとリセットからなるサイク

INGRID で用いる約 10,000 個の MPPC は，京大に準備

ルを 23 回繰り返し，そのデータをバッファに保持する。

したテストベンチを用いて基礎性能を確認後，検出器にイT2K 実験は現在 581nsec 間隔の 6 バンチの陽子ビームを標

ンストールを行った。MPPC は性能に大きな温度依存性を的に照射してニュートリノビームを生成している(将来は 8持つため，恒温槽を用い 15C, 20C, 25C で基礎性能(ゲイバンチに増強予定)。そこで，DAQ システムのサイクル間

ン，ブレイクダウン電圧，暗電流，アフターパルスとクロ

隔とニュートリノビームのバンチ間隔が等しくなるように，ストーク率，光検出効率)を測定し， 99.93% のサンプルが

TFB のゲートを 480 nsec ，リセットを 100 nsec に設定し，要求性能を満たすことを確認した。残りの 0.07 % のサンプ

バンチのタイミングに合わせてゲートが開くように，トリ

ルは，順バイアス電圧をかけてもまったくシグナルを返さ

ガーの遅延時間を調整した。

ないため，信号線または電圧線が切れていると考えられる。
このサンプルはまた，浜松ホトニクスでの試験を通過した

表 3-4 Trip-t Front end Board(TFB)の仕様(MPPC のゲインが 5 ´ 105 5×105 の場合)

ため，出荷当時はシグナルを返していたが，その後の数ヵ月間において故障したと思われる。

パラメータ

値

ADC のダイナミックレンジ

0  500 p.e.

このテストベンチは，1 セット 64 個の MPPC を測定す

ADC のノイズレベル< 0.21p.e.

るのに約 1.5 時間が必要で，一日に約 4 セット(256 個)の測ADC の非線形性< 5%定が可能である。2008 年 5 月から大量試験を開始し，約 5 ヵ

TDC の時間分解能

2.5 nsec

月間で INGRID と他の前置検出器に用いる約 18,000 個の

0 - 5 V (調整範囲)

MPPC を試験した。この測定は長時間一人で行うとミスが20 mV (分解能)増えるため，測定シフトを組み，負担が集中しないように

MPPC 印加電圧の調整能力気を配った。

BEB は，Readout Merger Module(RMM)，Master Clock
Module(MCM)，Cosmic Trigger Module(CTM)からなり，それぞれ次のような機能を持つ。

4.2 波長変換ファイバーの準備と試験
2008 年 5 月から 7 月にかけて，京都大学で INGRID に用いられる波長変換ファイバーの準備を行った。作業は，ファ RMM：1 台に最大で 48 台まで TFB を接続できる。接続
された TFB から読み出されたデータを統合して DAQ PCに送る目的で利用する。また，他の BEB や DAQ PC から送られてくるトリガー信号，クロック信号，制御信号
を TFB に分配する目的でも利用する。INGRID では，4イバーのカット，
オプティカルコネクター(GOMI connector)の接着，前述のファイバー仕上げ工具による両端の研磨，MPPC から遠い側の端面への反射材の塗布からなる。ファイバーは 24 本ごとに LED を用いて光量チェックを行い，問題がないことを確認しながら作業を進めた。

台の RMM を用いて，182 台の TFB を制御している。
 MCM：ビームライン DAQ からはビームスピルトリガー，
ビームスピル番号，GPS クロック信号を受け取り，CTM
からは宇宙線トリガーを受け取る。トリガーやクロック
信号は，RMM を通じて TFB に送られる。
 CTM：TFB から hit 情報を受け取り，宇宙線トリガーを作る。

4.3 トラッキングプレート の製作
2008 年 6 月頃に，押し出し成型シンチレーター約 10,000
本がフェルミ研究所から J-PARC に届いた。この頃から

J-PARC で INGRID 製作の準備を始めた。その後，京都大学，Ecole Polytechnique，大阪市立大学，東京大学，Universityof Lyon の研究者・技術者でシフトを組み，2008 年 9 月から 12 月の約 3 ヶ月でトラッキングプレート(と VETO プレー

RMM，MCM，CTM は同一のボードを用いており，FPGAト)228 枚を製作した(図 4-1)。制作後のトラッキングプレーのファームウェアを書き換えることにより，どの用途にも

トには，MPPC の暗電流と宇宙線データを使った動作試験

使用できる。またシステムのバグや更新には，ファームウェ

を行い，ケーブルの疵，ケーブリングの間違い，ファイバー

アのアップグレードで対応できるという利点がある。

の疵，不良 MPPC などの問題を見つけ，対策を施した。

4 検出器の製作・設置
2008 年 4 月から INGRID の製作が本格的に始まった。この章では各コンポーネントの準備，モジュールの製作および検出器ホールへの設置について紹介する。
図 4-1

シンチレータートラック層の製作

15
その結果，全 9,592 チャンネルが正常に動作していることは INGRID が初めてだったので，動作試験を進める内にいを確認できた。図 4-2 は，宇宙線データにおけるトラッキ

ろいろなシステムのバグを発見し，ラザフォード研究所のングプレート全チャンネルの平均光量分布で，もっとも平

研究者と一緒に，そのバグへの対策を施した。

均光量が低いチャンネルで 19.4 p.e. と，十分な光量が得ら

動作試験後の 1st モジュールは，2009 年 3 月 12 日に前置

れていることが確認できた。こうして，2008 年 12 月にト検出器ホールに設置された。設置は，設置場所にアンカー

ラッキングプレートの製作および試験が無事スケジュール

ボルトを打ち，クレーンでモジュールを地下まで運び，チどおり完了した。

ルローラー(チルコーポレーション社)を使ってモジュールを設置場所まで移動し，アンカーボルトで固定する，という作業からなる。この 1st モジュールによるビームコミッショ
ニングの結果については，5 章で述べる。

図 4-2

宇宙線データにおけるトラッキングプレート全チャンネルの平均光量分布4.4 モジュールの製作と設置

図 4-3

1st モジュール

当初は，2009 年 1 月から 3 月に全 14 モジュールの製作
および設置を行う予定だったが，鉄構造体(鉄ターゲットと残りのモジュール用の鉄構造体は，横型モジュール用 6モジュールフレームからなる)のフランス側での製作が大幅

台が 2009 年 6 月 24 日に，縦型モジュール用 7 台が 2009 年に遅れたため，1 モジュールだけを製作，設置し，2009 年

7 月 29 日に，J-PARC に到着した。この 13 台のモジュール

4 月のビームコミッショニングに臨むことになった。この 1は，日本とフランスの研究者・技術者でシフトを組み，製モジュール用の鉄構造体は，3 月のインストールに間に合作を行った。 1st モジュールの経験があったため，この作業わせるためにフランスから空輸され，2009 年 2 月 7 日には比較的スムーズに進み，横型モジュール 6 台が 2 週間，

J-PARC に到着した。この鉄構造体には，鉄ターゲット間

縦型モジュール 7 台が 2 週間，計 4 週間で製作できた。

stのスペースが狭すぎてトラッキングプレートが入らない場

製作後の 13 台のモジュールには， 1st モジュールと同じ所がある，ネジ穴が錆びている，といった問題があることように動作試験および問題への対処を行った。その結果，が分かった。これらの問題については，ただちにフランス

全 7766 チャンネルが正常に動作していることを確認できた。

に連絡し，残り 13 台のモジュール用の鉄構造体には，日本

この動作試験も 1st モジュールの経験があったため，比較的に送る前にフランスで対策を施した。

スムーズに行えた。

1st モジュールの製作は，2 月 10 日に完了した(図 4-3)。

動作試験後の 13 台のモジュールは，横型モジュール 6 台

最初のモジュールの製作だったので，いろいろと問題(上記が 2 週間，縦型モジュール 7 台が 2 週間，計 4 週間をかけの鉄構造体の問題を含む)が見つかったが，一つ一つ現場でて前置検出器ホールに設置し，2009 年 8 月 11 日にすべて問題を解決していくことにより，残りのモジュールを製作の作業が無事完了した(図 4-4)。横型モジュール 6 台の設置する上でよい経験になった。

作業は，クレーンが使えない場所であったため，7 トン以

製作後の 1 モジュールには，MPPC の暗電流と宇宙線上のモジュールを，チルローラーを用いて移動させた。最

データを使った動作試験を行い，ケーブルの疵，ファイバー

後の 1 台の横型モジュールは，設置済みの横型モジュールの疵，不良 MPPC などの問題を見つけ，対策を施した。その間に設置する必要があった。この時，このモジュールとの結果，全 594 チャンネルが正常に動作していることを確

両隣のモジュールとの隙間は数 mm しかなく，作業は困難認できた。この動作試験は，3.4 節で紹介した DAQ システを極めた。しかし，最終的にはすべての横型モジュールを，ムを用いて行われた。このシステムでデータ収集をするの

2 mm の精度で目的の場所に設置できた。

st

16トの観測を試みた。このビームコミッショニング時はビー
ム強度が弱く，ビームタイムも限られていたため，INGRID
でのニュートリノ反応数は 1 より小さいと予想された。このような数少ないニュートリノ反応を見つけるためには，すべてのスピルを漏れなく探索することが必要であった。
そのために，インストールからビームコミッショニング開
始までの一ヵ月余りの間，読み出しシステムの動作確認，
宇宙線などを用いた検出器の動作確認，検出器の状態をリ
アルタイムで監視するためのオンラインプロットの整備，解析ソフトウェアー準備を行った。この結果，ビームデー
タを長時間安定に取得し，そのデータをすぐに解析できる
準備が整った。
上記の準備も終わり，コミッショニング開始まであと少しという時に，多数のチャンネル(多い時は半数以上)で信号が不安定になるという問題が発生した。様々な可能性を検討した末に，雨の日にこの問題が起こりやすいことを発見した。さらに原因を追究すると，前置検出器ホール内の異常な湿度の高さ( 90  100% )により，MPPC と同軸ケーブルを接続するのに使っているプリント基板が結露し，そこに表面電流が流れることが原因であることが分かった。
そこで，モジュールをブルーシートで覆い，その中に除湿器を導入した(図 5-1)。これによって，ビームコミッショニ
ングの期間中，上記の問題が起こることなく，安定してデータを取得することができた。その後，この前置検出器ホー
図 4-4

横型モジュール(上)と縦型モジュール(下)の写真

ルの湿度問題への根本的な対策として，INGRID が設置さ各立方体が 1 モジュールに対応している。

れているフロアーをビニールシートで他の前置検出器ホールと隔離し，その中に大型除湿機を設置した。その結果，

5 運転からニュートリノ観測まで

湿度は約 50% 付近で安定しており，それ以降上記の問題は起こっていない。

2009 年 4 月 23 日のファーストビームから，2009 年 11 月
22 日の INGRID でのニュートリノ観測までの経緯を表 5-1にまとめた。以下では，この期間の様子を紹介する。
表 5-1

ファーストビームからニュートリノ観測まで

2009 年 4 月  5 月

ファーストビーム
ビームコミッショニング
夏の加速器運転休止期間

2009 年 6 月  10 月

残りの 13 モジュールの建設・設置
検出器コミッショニング

2009 年 11 月

ビームコミッショニング

INGRID でニュートリノを観測

5.1 ビームコミッショニング
2009 年 4 から 5 月に T2K 実験はビームコミッショニン
グを行った。おもな目的は，ビームラインの各機器の動作確認とビームラインモニターおよび MUMON を用いたビー
ム軌道の調整であるが，INGRID でもニュートリノイベン

図 5-1

INGRID モジュール

左図：2009 年 4 月から 5 月のビームコミッショニング直前のもの。
右図：前置検出器ホール内の異常な湿度の高さが問題になったために，モジュールをブルーシートで隔離し，内部に除湿器を設置した。

こうして万全の状態で迎えたビームコミッショニングであったが，残念ながらニュートリノイベントは観測できなかった。念のため，全ビームスピルトリガーのイベントディ
スプレイをアイスキャンしてみたが，結果は同じであった。
ちなみに，このコミッショニング時に INGRID で期待されたニュートリノ反応数は約 0.2 であった。

17

5.2 ニュートリノイベント観測
夏の加速器運転休止期間の 2009 年 6 月から 8 月に残り

13 台のモジュールの建設・設置を行い，8 月から 11 月に前

この章では，2009 年 11 月から 2010 年 4 月までに得られた，INGRID の性能評価試験とビームデータの解析結果について述べる。

置検出器ホール内で 14 台のモジュールを用いた試運転を行った。2009 年 11 月にビームコミッショニングを開始し，

6.1 性能評価試験

2009 年 11 月 22 日午後 8 時 25 分，INGRID はついに T2K

図 6-1 に，宇宙線データを用いた各チャンネルの検出効

実験初のニュートリノ事象を観測した。その事象のイベン率の測定結果を載せる。シンチレーター表面の反射剤や隣トディスプレイを図 5-2 に載せる。イベントディスプレイ

のシンチレーターとの隙間といった不感領域によって若干中の様々な大きさの点はシンチレーターのヒットを表わし検出効率が下がるものの，全チャンネルの平均検出効率がており，その大きさは観測されたエネルギーに対応してい99.0% と十分な性能を持つことが分かった。INGRID は，る。ビームは紙面左から右方向で，ビームニュートリノがスピルとスピルの間の約 3.5 秒の時間に，宇宙線トリガー

6 番目の鉄層で反応して荷電粒子が二つ発生したイベント

によってデータを取得している。この宇宙線データに同様だと考えられる。

の解析を行うことよって，ビームデータ取得時の検出器の性能を保証する。

図 5-2

INGRID で観測した T2K 実験初のニュートリノ事象

全 14 台あるモジュール中の 1 モジュールで観測された事象で，左図がモジュールを横から見た図，右図がモジュールを上から見た図。図中の様々な大きさの点は，シンチレーターで信号が検出されたチャンネルで，その大きさは観測された光量に対応している。
ビームは紙面左から右方向で，その方向にトラッキングプレートと鉄ターゲットの層が交互に繰り返されている。

表 6-1 に INGRID でのニュートリノ観測から現在までの
おもなイベントと，2010 年前半の物理ラン終了までの予定をまとめた。

2010 年 2 月
2010 年 6 月

横軸はチャンネルの番号，縦軸は宇宙線トラック検出効率。

2010 年 1 月から 4 月の物理ランにおいて，INGRID は，
ビームスピルトリガー173,049 発のうち，99.9% 以上の取得に成功した。このように INGRID は，ビームデータを安定に取得している。物理ランの期間中に陽子ビームの強度は

ニュートリノ観測から 2010 年前半の物理ラン終了まで

2009 年 11 月
2009 年 12 月
2010 年 1 月

1 番目のモジュール各チャンネルにおける宇宙線トラックの検出効率

6.2 ビームデータの解析結果

6 現状

表 6-1

図 6-1

INGRID でニュートリノ観測
Off-axis 検出器でニュートリノ観測
物理ランスタート
後置検出器スーパーカミオカンデでニュートリノイベント観測2010 年前半の物理ラン終了

徐々に上がってきており，4 月末の時点で約 40 kW で安定にニュートリノビームを生成している。
図 6-2 は INGRID においてニュートリノ事象選択後に残った事象のタイミング分布である。繰り返しになるが，T2K実験では，現在 581nsec 間隔で 6 バンチの陽子ビームを生成標的に照射してニュートリノを生成している。INGRID

2009 年 12 月には，off-axis 検出器でニュートリノを観測

は，この 6 バンチに対応する時間に，期待通り 6 つのピー

した。2009 年 1 月に物理解析に用いるデータの取得が始まクを観測した。ピークから離れた時間にある事象は，宇宙

り，現在(2010 年 5 月)はビームタイムの最中である。2010

線や，壁でニュートリノが反応してできた中性子やガンマ

年 2 月 24 日には，後置検出器スーパーカミオカンデで待望線が起源のバックグランドが原因だと考えている。これらの初ニュートリノ事象を観測した。今後は，2010 年 6 月まのバックグラウンドの数はニュートリノ事象選択を行うこでのビームデータを用いて，最初の物理結果を発表することで，ニュートリノ事象候補の数の 3 ケタ以下に抑えることを目標にしている。

とができる。

18
ニュートリノビームに対するビームトリガーのタイミン

図 6-4 は，2010 年 3 月に取得したデータによる，横型モ

グが変化すると，DAQ システムの不感時間にニュートリノ

ジュール 7 台におけるニュートリノ事象選択後の事象数で事象が入ってしまい，正しくデータを取得できない。そのある。ここで誤差は統計誤差しか含んでおらず，系統誤差ため INGRID はニュートリノ事象の時間分布を常にオンラは見積もり中である。後述するとおり，この測定データかインでモニターして，正しくデータが取れていることを確らニュートリノビーム中心の再構成を行い，INGRID での認している。

ニュートリノ反応数を計算する。

図 6-2

ニュートリノ反応事象選択後の事象のタイミング分布

横軸はビームトリガーからの時間[nsec]，縦軸は事象数。6 バンチの陽子ビームに対応する 6 つのピークが観測された。斜線部分はDAQ システムの不感時間である。バックグラウンド事象の数は，ニュートリノ事象候補の数の 3 ケタ以下に抑えられている。

図 6-3 は各日のニュートリノ事象選択後の事象数を，陽子ビーム強度モニター(CT5)で測定された陽子数で規格化した分布である。平均値は陽子数 1014 個あたり 1.5 事象で，各日ともに誤差の範囲内で一致しており，ニュートリノビー
ムを安定して生成できていることが分かる。

図 6-4

横型モジュール 7 台におけるニュートリノ事象選択後の
事象数

横軸は INGRID 中心からの距離[cm]，縦軸はニュートリノ事象選択後の事象数。

ニュートリノ事象を観測する上で一番のバックグランド
は，ニュートリノが前置検出器ホールの壁と相互作用した結果生じるミューオン，中性子，ガンマ線である。今後は，測定データとシミュレーションから，現在のニュートリノ
事象選択後のサンプルにどの程度これらのバックグラウン
ドが混在しているかを見積もり，必要であれば事象選択方
法をよりよいものに改善する。その後，シミュレーションと，宇宙線データから求めた各チャンネルの検出効率を用いて，ニュートリノ事象に対する各モジュールの検出効率を計算する。
これらの結果から各モジュールにおけるニュートリノ反応数を系統誤差込みで計算し，このプロファイル
からニュートリノビーム中心の再構成を行い，T2K 実験で要請される 1mrad よりもよい精度で，ニュートリノビーム
方向の測定・監視する予定である。
（INGRID は陽子標的から約 280 m 下流にあるので，ビーム方向が 1mrad ずれると，中心位置が 28 cm ずれることになる。) そして， INGRID
でのニュートリノ反応数をビームシミュレーションで外挿し，後置検出器であるスーパーカミオカンデで期待される
ニュートリノ反応数を計算し，ニュートリノ振動解析を行い，物理結果としてまとめる予定である。

図 6-3 ニュートリノ事象選択後の事象数を，各日に供給された陽子数で規格化した数の推移
各日ともに誤差の範囲内で平均値は陽子数 1014 個あたり 1.5 事象に一致しており，安定してニュートリノビームを生成できていることが分かる。

7 今後の予定
INGRID は，ハードウェアーのアップデートとして，2010
年夏から秋に図 7-1 にある off-diagonal モジュールと proton
モジュールの製作および設置を行う。Off-diagonal モジュー19
ルは INGRID モジュールと同一の構造で，ニュートリノビー

謝辞

ム形状の対称性を評価するために，十字型に配置された既元 KEK 技官の田井野光彦氏とそのご家族には，J-PARC

存のモジュールに加え，非直交の位置に計 2 台設置する。

での検出器の製作を，最初から最後まで手伝っていただき

Proton モジュールは，細かな構造の違いはあるが基本的にました。また日鈴精機工業株式会社の鈴木茂正社長には，は鉄ターゲットのない INGRID モジュールで，プラスチッ

トラッキングプレートの固定フレームの製作時に，材料選

クシンチレーターをニュートリノターゲットとして用いる

定や加工方法について相談にのっていただき，それを格安

新型検出器である。Proton モジュールは鉄ターゲットの層で製作していただきました。そして第一鉄工株式会社の後を持たないため，ニュートリノ反応で生成される陽子やパ

藤亮一氏と社員の皆様には，非常にタイトな日程でモジューイ中間子といったすべての荷電粒子を検出でき，INGRID

ルを安全にインストールしていただきました。
この他にも，

モジュールでは困難であったニュートリノ反応モードの区

沢山の方々のご協力のおかげで，なんとかニュートリノビー

別を行うことができる。この情報を用いて，on-axis のエネ

ムの測定を開始できました。サポートしていただいた皆様

ルギー領域でのニュートリノ反応断面積の測定を行い，物に，心よりお礼申し上げます。

理結果としてまとめる予定である。

参考文献[1] 小林隆，「T2K 実験の概要」，高エネルギーニュース 28-2,
62 (2009).
「T2K 実験ミューオンモ
[2] 松岡広大，久保一，横山将志，
ニターの開発」，高エネルギーニュース 29-1, 1 (2010).

[3] 柴田政宏，Nicholas C. Hastings，石井孝信，角野秀一，「T2K 実験の陽子ビームモニター」，高エネルギーニュー
ス 28-4, 239 (2010).
図 7-1

Off-diagonal モジュールと proton モジュールの模式図[4] H. Kawamuko, T. Nakaya, K. Nitta and M. Yokoyama,“Fiber Connector for MPPC”, Pos PD07, 043 (2007).

T2K 実験は，2010 年 1 月に物理ランが開始されたばかりで，これからが本番である。INGRID は引き続き安定運転に努め，T2K 実験の全期間にわたりニュートリノビームの測定・監視を行う予定である。われわれはその測定のデータを用いて，ニュートリノ振動およびニュートリノ反応の研究を行う予定である。

「Multi Pixel Photon Counter の研究[5] 横山将志，魚住聖，開発」，高エネルギーニュース 26-3, 216 (2007).