170■研究紹介

Belle 測定器：20 世紀最後のコライダー検出器
KEK 素粒子原子核研究所

幅淳 二

junji.haba@kek.jp
2011 年 11 月 11 日

1998 年 12 月 KEKB リングに最初のビームが蓄積されたころ，筑波実験室ではロールアウトポジションにおいて Belle

象を受け止め続けてきた。本稿ではその Belle がどんな測定器システムであったかを改めて振り返ってみたい。

測定器が組み上げの最終段階にはいったところであった。
余談ながらそれは筆者にとっていろんな意味で記憶に残るTRISTAN の VENUS，TOPAZ，AMY に続く日本で 4月であった。旧国鉄の債務返済のためタバコの大幅値上げ

基目の電子陽電子衝突実験用測定器で，しかも過去類を見が実施され，ついに禁煙を決断したのもこの時である。完ない非対称エネルギー(電子 8GeV＋陽電子 3.5GeV)衝突実成された Belle 測定器は宇宙線によるコミッショニングを経験に最適化された Belle 測定器では，衝突点は測定器中心て翌年 5 月ついにロールイン，待望の衝突実験は開始されからオフセットし，重心系のブースト方向(電子の進行方た。それから 2010 年 6 月 30 日に KEKB 加速器と Belle 実向)に広いアクセプタンス (17 - 150) を確保する。一方で験の運転が終了するまでの 11 年間，様々なトラブルに見ま衝突点に向けビームの強い収束を実現するために，超伝導われながらも着実なアップグレードを続けて，毎月のよう四極電磁石(QCS)が測定器中心近くにまで挿入されているにルミノシティ記録を塗り替える KEKB から大量の衝突事(図 1, 2 参照)。

図 1 Belle 測定器の断面図：衝突点は測定器中心より陽電子方向にシフトして、ブースト前方にアクセプタンスを確保していた。前後方には QCS のクライオスタットが挿入されている。

171

図 4 極めて異型の Belle-CDC エンドプレート。中央のコニカルパー
トに QCS が挿入される。衝突点から 17 方向までのアクセプタン
スを可能とするため、急峻な円錐部にもワイヤーが張られる。

最終的には日本のお家芸でもあるエアロジェルチェレンコ
フカウンタ(ACC)とプラスチックシンチレータによる TOFカウンタの組み合わせに落ち着いた。ACC の衝突型測定器での本格的な採用は世界初めてのことであり1，その構造設計や光電子増倍管の高磁場中での使用など大きなチャレン
図2

メンテナス中の Belle 測定器

ジであった。960 台のカウンタモジュールは，エアロジェ
ルブロックと強磁場中で動作可能なファインメッシュタイ

内部検出器サブシステムの構成は，衝突型測定器としてはプダイノードを使用した光電子増倍管(FMPMT)を組み込標準的なものである。衝突点の加速器真空を封じるベリリんだ薄板アルミの筐体で構成されている(図 5)。重心系のウムのビームパイプ，それを取り囲むバーテックス検出器

ブーストに起因する運動量分布の角度依存に対応するため，(SVD，当初 3 層，2003 年より 4 層のシリコンストリップブロックの屈折率を 1.008  1.030 まで角度領域により変化センサーで構成)が中心軸に据えられる(図 3)。

をつけるなどの細かい配慮がなされた。

その外側に，ヘリウムガスをベースにして，16´ 17 mm2 角の 8400 の矩形セルをアルミのフィールドワイヤで構成し，物質量を極限まで減らした円筒ドリフトチェンバー(CDC)が続く。
QCS の挿入に対応する変則的な形状のエンドプレー
ト(図 4)を採用して 17 超前方までのアクセプタンスを確保している。
Belle 測定器で特徴的なのは，B 中間子とその崩壊モードを高効率で識別するための優れた粒子弁別能力である。そのための技術開発，技術選択はギリギリまで続けられたが，
図 5 ACC モジュール・薄板アルミのボックスに装填されたエアロジェルブロック(中央)を FMPMT が覗く。

TOF カウンタは 4 cm厚 ´ 6 cm幅 ´ 255 cm長 のプラスチックシンチレータロッド 128 本を樽状に組み合わせたもので，100 psec の時間精度を提供する。Belle 測定器システム全体にイベントの時間レファレンスを与える重要な使命も帯びており，バックグラウンド計数低減のためコインシデンスを取る薄いシンチレータ(TSC)と二層化されていた。ACCと同様磁場に強い FMPMT が採用されている(図 6)。
1

図3

SVD2 と衝突点ビームパイプ

TASSO 実験で限定的な採用の例はあるが，バレル部での本格的な導入は初めてである。

172
ソレノイドの外側には，磁束のリターンヨークとして鉄の構造体が構える。Belle のもう一つの特徴は，このヨークを厚さ 47 mm の鉄板と Resistive Plate Counter(RPC)の 14段の積層構造とした instrumented iron yoke を構成していることだ。これは通常の m 検出器としてだけでなく，重要な B中間子崩壊モードである B  J/yK L からの中性 K 中間子を一種のハドロンカロリメータとして検出できるものとし

RPCて KLM( K L and Muon detector)と名付けられている。
は抵抗値の大きな( 1010 Wcm 以上)プレートを 2 mm 程度のガスで満たしたギャップで積層し，その間に 10 kV 程度の
図 6 13 年振りに取り外された TOF カウンター。2 本のロッドを一組として TSC と組み合わされている。

高電圧を印加して，そこからのストリーマ信号を検出する。

Belle の設計当時，RPC はイタリアの得意技でベークライ
ト板に特殊なオイルを塗って電極とするのが流儀であった

粒子識別システムの外側にはソレノイドマグネットに内が，Belle では世界に先駆け低抵抗ガラスを採用した。今日接するように据え付けられたカロリメータ(ECL)がある。

RPC は電極プレー
ではこちらが主流になりつつあるようだ。

B 中間子の崩壊モード識別には p 0 の効率的な同定は欠かす

トの高抵抗によるセルフクエンチが検出器動作の基本だが，ことができないため，低エネルギーから高分解能が得られそれゆえ計数率の制限が強く，実験後期の設計ルミノシティ

る CsI(Tl)結晶シンチレータが採用された。その発光波長を超える運転では，内層や加速器トンネルに面したエンドは 565 nm と長く光量も十分にあり，しかも高磁場中での使ヨーク最外層で検出効率の低下を招くことになった。

用となるため，読み出しには大面積の PIN フォトダイオー
ドをそれぞれの結晶に二個ずつ装着してカウンタモジュールを構成した(フロントエンドエレクトロニクスも二個独立にするリダンダンシーのお陰で，12 年間の運転を通して全8736 カウンタにデッドモジュールなしという偉業を達成することができた)。総重量 36 トンに及ぶモジュールはその性能を損なうことがないよう，アルミニウム製 1.6 mm 厚の内壁と 0.5 mm 厚の隔壁を巧妙に組み合わせた，野心的に軽量化された容器に収められた(図 7)。しかしその軽量化がまた多難な挑戦をもたらしたことは忘れることができない(後述)。
ソレノイドは半径 1.8 m, 長さ 4 m の空間に 1.5 T を生成する。この磁場強度は優れた運動量分解能と広い運動量アクセプタンスという相反する要求の妥協点から決められた。
コイルには SDC に向けて開発されてきたアルミ安定化超電導線材の技術が活用された。

以上のバレル検出器群の前後方をさらに，エンドキャップ検出器がカバーする。非対称衝突のブーストにあわせて，後方は 150 までをやはり CsI(Tl)結晶のカロリメータで，前方は高運動量の K/p 弁別を行えうるよう 1.03 という高い屈折率の AC と CsI(Tl)結晶のカロリメータで 17 までをきっちりと覆った。
こうした中核の検出器の陰で，コミッショニングやビームスタディに重要な働きを果たしたのが，QCS の端面に取り付けられた超前方カロリメータ(EFC)と文字通り電子ビーム衝突軸延長上で，Radiative Bhabha 散乱からの光子を測定するゼロ度ルミノシティモニター（ZDLM）がある。EFCは KEKB 運転開始時に最初の Bhabha 散乱の信号を確認して，製作に携わったチームの母国，台湾ではちょっとした新聞記事の話題を提供できた(図 8)。ZDLM は速いサンプリングでルミノシティのオンライン情報や， 4 nsec 間隔のバンチ毎ルミノシティを加速器に提供して，KEKB のめざましいルミノシティ向上に大きく貢献した。

図 7 アルミ薄板で作られた ECL コンパートメント。中央の列に結晶モジュールがインストールされているのが見える。

図8

QCS 先端に取り付けられた EFC

173
以上 Belle 測定器システムの設計の概要2を振り返ったが，ドタイムを最小にするパイプラインエレクトロニクスの採その 4 年にわたる建設と 10 年余に及ぶ運転の道のりは決し用と PC ファームによる event builder システムの構築によて平坦なものではなかった……と展開するのがこの種の報り，データ収集システムのデッドタイムは格段に改善され告の定型であろうが，実のところまさにそのとおりだった。

た(図 10)。

しかも Belle には最初からライバルとして運命づけられたBaBar がおり，その先陣争いは否が応でも熾烈なものとなっBelle DAQた。建設時における大きな試練は三つ。一つはソレノイドマグネット据え付け後に発覚した内部配管のリークと現場でのクライオスタット開腹手術，続いてはカロリメータ組立て途中でのサポート容器崩落事故とその再製作・再組立て，そして当時国内に技術的蓄積の少なかった SVD の終盤における設計変更である。いずれも BaBar に大きく遅れをとる可能性を持つ重大トラブルであったが，対策チームの不眠不休の作業により，KEKB 加速器の立ち上げに遅れること 1 ヶ月，1999 年 1 月にはなんとか宇宙線による総合運転を開始することが可能となった。その年の 5 月には BaBarに遅れをとることなく衝突点エリアへロールイン。いよい

図 9 「一般家庭」におけるネットワークバンド幅の変遷と 1999
年代に設計された Belle の DAQ スペック。

よ実験開始，苦しかった建設のフェーズもどうにか収束かと思った矢先，新たな困難が降りかかる。SVD の早すぎる昇天だった。当時の民生 LSI 技術では IC の放射線耐性は極めて低く，軍用の特殊なプロセスだけが高い耐性を可能としていた。初代の SVD に用いられたチップはこの民生技術による低耐性のものであったことに加え，ビームパイプ 1号機のシールド性能にも弱点があり，それにビームバックグラウンドスタディのために立てた大きなバンプ軌道が追い打ちをかけることになったのだ。禁煙を始めたばかりの我が身には，堪えるにはあまりにも苛酷なストレスとなった。不幸中の幸い，低耐性チップでの不測の事態に備えバックアップ(SVD1.2)はすでに準備中であったため，その夏のシャットダウンにおいて辛うじて交換作業を行うことができ，大きな遅滞を生ずることは免れた。その後 LSI の微細

図 10 DAQ システムのアップグレードでデッドタイムは大きく(青(上)→赤(下))改善した。

化に伴う高耐性チップへのアップグレード，更に 2003 年のSVD2 へのアップグレードを経て測定器システムはなんとか安定運転期を迎えることができた。

大艦巨砲の ATLAS/CMS など LHC の検出器や，「夢の超高性能」を目指す ILC 検出器の陰で地味な存在の Belle 測

KEKB の驚異的なルミノシティ向上にともなって，実験定器であるが，その性能は完成後 10 年以上を経た今も実はチームで声に出せない悲鳴を上げたのはデータ処理に関わ十分 competitive である。図 11 に示したのは，現代の代表るシステムである。これはトリガー，DAQ，そして計算機・的な測定器システムにおけるバーテクス分解能である3。ILD

data storage を含むストリームであり，どこにボトルネックを除いて，実際に達成された性能(あるいはその外挿)であがあってもたちまち破綻をきたす。そもそも当時もてる技る。フレーバー物理を主眼とする Belle と LHCb が低い運術を結集した TRISTAN に比べてさらに二桁近く高いデー動量から良好な性能を発揮していることが見て取れる。一タレートを処理することが課せられており，その実現性に方「重量級」の ATLAS・CMS ではふんだんな物質量が災ついて計画当初は疑問視する向きさえあった。しかし幸い

いして 10GeV/c 以下の測定を相当にスポイルしている。まにして 20 世紀末から始まった IT 技術の進展は目覚しく（図た ILD の目指すものがいかに野心的であるかもこの比較か

9），我々も大きくその恩恵に浴すことができた。またデッらよくわかる。

2 Belle 検出器のシステムは Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research A 479 (2002) 117–232 に詳しいまとめがある。

3

Junji Haba, PoS ICHEP2010:542,2010.

174

図 11 代表的な検出器システムのバーテックス分解能▲Belle，■LHCb，▼ATLAS，✞Alice，◆ILD
図 12

代表的な検出器システムの運動量分解能同様の比較を運動量分解能についても行うことができる。
図 12 に Belle で得られた運動量分解能（とその外挿）が LHCの検出器システムで達成されたものと共に示されている。

10GeV/c をはるかに超える高運動量領域では，さすがに高い磁場と長いレバーアームを持つ CMS や ATLAS に挑むまでもないが，低運動量では世界最高性能と評判の TPC を有する ALICE も寄せ付けない高分解能を発揮している。これも CDC にヘリウムガスとアルミワイヤーを使うなど Belle測定器の徹底した軽量化とバランスがとれたソレノイド磁場が功を奏したものといえる。

2010 年 12 月 19 日 Belle 測定器は，アップグレードのためのロールアウトを行った。1999 年 5 月ロールイン以来 11年半ぶりの任務解除であった(図 13)。

図 13 2010 年 12 月のロールアウト後，内部検出器の解体を終えた Belle 検出器(2011 年９月撮影)。カロリメータより内側にポッカ
リと空間ができて，新しい測定器のインストールを今や遅しと待ち焦がれている。