10■研究紹介

スーパーカミオカンデのデータ収集システムのアップグレード
東京大学 宇宙線研究所

奥村公宏，塩澤真人，中山祥英，早戸良成，山田悟

2009 年 5 月 15 日

1 はじめにヒットがないことがフロントエンドエレクトロニクスに求められる。(2)については，核子崩壊や大気ニュートリノ反スーパーカミオカンデ(SK)検出器は，1996 年 4 月の実験

応のような高エネルギー事象の観測では，各 PMT 信号の開始以来，大気・太陽ニュートリノの観測や K2K 長基線実電荷量を正確に測定する必要がある。より高いエネルギー

験を通じてニュートリノ振動現象の存在を証明し，また核の事象を精密に観測するためには，エレクトロニクスのダ

子崩壊探索においては核子寿命の下限値を大幅に更新してイナミックレンジもより大きくなければならない。また，理論に制限を与えるなど，数々の成果をもたらしてきた。

低エネルギー事象と高エネルギー事象の観測どちらにもあT2K 実験をはじめとするニュートリノ研究や核子崩壊探索，てはまることだが，荷電粒子の発生点は各 PMT がヒット

超新星爆発観測などの目的のため，SK には今後も長期にわした相対時間を用いて再構成されるため，nsec レベルの時たり安定して観測データを収集し続けることが求められて間測定分解能が必要となる。(3)の高速処理については，超いる。そこで SK 実験グループでは，10 年以上使い続けた新星爆発ニュートリノバーストなどの高レート事象や，データ収集システムを一新するため，2004 年から開発を重ミューオンとその崩壊で生じる電子のように連続した事象ねてきた。そして 2008 年 9 月，フロントエンドエレクトロを，高効率高精度で観測するために必要となる。

ニクス・トリガーシステム・オンラインシステムからなる

加えて(1)に関して，単純なハードウェアイベントトリガー

データ収集システム全体が刷新された。本稿では，導入以では記録できない低いエネルギー事象の観測を可能とする

降順調に稼働し観測データを取得している SK の新しいデー

ことも目標の一つとなる。たとえば，反電子ニュートリノ

タ収集システムについて紹介する。

が準弾性散乱を起こした際に発生する中性子を，平均約200 msec 後に水中の陽子によって捕獲された際に発生する

2 データ収集システムへの要請

2.2 MeV のガンマ線の検出でタグすることにより，超新星
背景ニュートリノのバックグラウンド除去率を向上するこ

SK 検出器は，ニュートリノ散乱反応などによって発生しとができる。旧来の SK データ収集システムでは，ある個た荷電粒子が水中を走る際に発生するチェレンコフ光を，数以上の PMT が同時にヒットした際にトリガーを生成，壁面に取り付けられた約 13000 本の光電子増倍管(PMT)でトリガータイミング周辺 1.3 msec の範囲内の PMT 信号のみ

とらえることにより，反応の検出を行っている。各 PMTがエレクトロニクス内で処理され，オンライン計算機に集からの信号はフロントエンドエレクトロニクスに入力され，められていた。 2.2 MeV のガンマ線は，SK の約 11000 本の信号の大きさが設定した閾値を超えた場合をヒットと定義

内水槽 PMT のうちの 6 本ほどしかヒットさせない低エネ

し，このときの電荷量とヒット時間情報がデジタル化されルギーの事象であるため，ハードウェアトリガー条件の閾る。

値をここまで下げることはできず，観測することが不可能

SK の種々の観測対象からデータ収集システムに要請されであった。このような低いエネルギーの事象を観測する方る性能をキーワードとして列挙すると，法として，PMT のダークノイズまで含めたすべてのヒット（1）低エネルギー事象観測

信号をエレクトロニクスからオンライン計算機に集め，ソ（2）高エネルギー事象観測

フトウェアによってバックグラウンド除去率の高い高度な（3）高速処理の三つがあげられる。(1)については，太陽ニュートリノ反イベント選択を行うことが考えられる。われわれはこれをrecord every hit 方式と呼んでいる。Record every hit を実現
すれば，データ解析の段階で 2.2 MeV のガンマ線によるア応のような低エネルギー事象の観測では，1 光電子

クティビティを探しにいくといったことが可能である。当(photoelectron，p.e.)を十分検出できるうえ，ノイズによる然のことながら，record every hit 方式でデータを収集する

11には，高速でデータ処理を行うことのできるフロントエン

図 2 に QBEE における信号処理の流れのダイアグラムを

ドエレクトロニクスが必要である。また，取り扱うデータ示す。QTC は，信号入力に対して，リーディングエッジで量も大きくなるため，エレクトロニクスからのデータ読み

ヒットタイミングを表しパルス幅が入力電荷に比例した矩出しやオンライン計算機でのデータ処理についても，十分形パルスを出力する。その両端エッジの時間を，後段に配に高速化されている必要がある。

した multi-hit TDC でデジタル化し，入力信号のヒット時

以下の章では，新エレクトロニクスシステム( 3  7 章)間および電荷の両方を測定する。TDC には ATLAS 実験用と新オンラインシステム( 8  9 章)の詳細を解説した後，に開発された AMT-3 を採用し[1]，時間分解能を稼ぐため

新システムで観測したばかりの初期 SK データをいくつかに 60 MHz ( 1LSB=0.52 nsec )にクロックアップして使用し紹介したい(10 章)。

ている。TDC の内部バッファに一時的に蓄えられたヒット
情報は，後に述べる周期トリガーを用いて 17 msec 単位で連3 新フロントエンドエレクトロニクス
モジュール
新データ収集システムの核となるフロントエンドエレク
トロニクスモジュールの写真を図 1 に示す。モジュールの続的に FPGA に読み出され，データ圧縮などの処理を行っ
たうえで FIFO に記録される。このように QTC→TDC→FPGA というパイプライン処理によって，要求される高速化を実現している。

名称は QBEE で，これは QTC-Based Electronics with

Ethernet の頭字語となっている。入力信号の電荷および時間 測 定 の た め の 基 本 と な る 構 成 要 素 は ， QTC（Charge-to-Time Converter）
ASIC と multi-hit TDC である。
それに加えて，デジタル処理を行う FPGA， 1.5 MB FIFO
メモリ，ネットワーク経由でのデータ読み出しとモジュー
ル制御を可能にするイーサネットサブボードなどにより

QBEE は構成されている。TKO 規格の 1 幅のモジュールであり，1 枚につき 24 の入力チャンネルを有している。

図2：QBEE における信号処理の流れ

SK で使用されている約 560 枚の QBEE ボードはすべて，
一つの 60 MHz システムクロックによって同期して動作している。すべての TDC を同期させることで，エレクトロニク
スシステム全体として最高の時間測定分解能が得られるよ
うにしている。

QBEE はボード上にキャリブレーションパルサーを備えており，SK では約 1Hz の周期で全チャンネルのキャリブレー
ションデータをペデスタルデータとともに取得している。
このデータで温度変化による QTC のゲイン変化をモニターし補正することで，10C 温度が変化しても電荷測定誤差を

1% 以内に抑えられる。消費電力はチャンネルあたり 1W
以下であり，種々の信頼性試験によって長期稼働時の安定性・耐久性も確認されている。

図1：新フロントエンドエレクトロニクス QBEE

4 QTC ASIC

PMT 信号は左のバックプレーン側から，データ読み出しやボー

QTC ASIC は QBEE のアナログ性能を決めるものであり，ド制御のためのイーサネットケーブルは，
システムクロック同様，

多くの時間と労力がこの ASIC 開発に費やされた。計算機

右側のフロントパネルから入力される。

を使った回路シミュレーションでアナログ性能評価を行い，シミュレーションでは再現できない動作不良についてはイ

12
オンビーム装置で試作チップ内の配線を加工するなどしてデバッグを重ね，ようやく満足のいくものを完成させることができた。
図 3 は QTC チップの拡大写真である。1 チップには入力
チャンネルが三つあり，さらに各チャンネルがSmall/Medium/Large の 3 段階のゲインを持っている。写真中 3 本の横線がそれぞれ三つあるのが見えるが，1 本の横線が一つのゲインの回路に対応している。ゲイン比は

1 : 7 : 49 であり，これは外部回路の 17 dB アテネータで入力信号を減衰させることにより実現している。

図 4：QTC 1 チャンネルのブロック図の立ち上がりをなまらせることで遅延させ，かつ立ち下がりはゲート幅に収まるようなまらせすぎない仕組みになっており，遅延回路なしに信号を積分ゲートに納めることに成功している。
ノイズも少な く，閾値を普 段使用する値 の約半分の-0.3 mV に設定してもノイズによるヒットはない。クロス
トークによるヒットは入力波高値が -3 V 以下では発生しないので問題ないが，複数チャンネル同時ヒットの際は電荷測定値に 1% 程度のずれが生じるためオフラインで補正している。表 1 に QTC のスペックをまとめた。QTC ASIC
図3：QTC ASIC の内部配線の写真のさらなる詳細は文献[2]を参照されたい。
表1：QTC ASIC のスペック

QTC 内部回路のブロック図を図 4 に示す。前章で述べた

ディスクリミネータ

セルフ

通り，入力信号に対して QTC は，リーディングエッジで入力チャンネル数3

処理速度

約 900 nsec/cycle

電荷積分ゲート

400 nsec

ゲイン段数(比)3 ( 1 : 7 : 49 )ディスクリ閾値

-0.3  -14 mV (Small)

信号タイミングを表し，幅が電荷に比例した矩形パルスを出力する。QTC に入力された信号は，まず LNA(Low Noise

AMP)で増幅された後，ディスクリミネータ部と電荷測定部の二つに分割される。各チャンネルは独立したディスク
リミネータを持っており，波高がある閾値(SK では -0.7 mV,

0.2  51pC (Small)0.25 p.e. に相当)を超えると，QTC 出力が開始されるのと同時に 400 nsec 幅の積分ゲートで電荷積分が行われる。積ダイナミックレンジ

分終了後からリセットされるまでの間は信号の入力は受け付けない。蓄積された電荷はその後放電され，一定量以下になると QTC 出力が終了する。出力開始から 750 nsec 経っても終了しない場合は強制リセットが働き，その後の VETO
を含めて 1 サイクルあたり約 900 nsec で一連の処理が行な 357 pC (Medium) 2500 pC (Large)

電荷分解能

約 0.2 pC (Small）

電荷直線性

直線からのずれ 1% 以下

0.3 nsec ( 2 pC 入力時)
時間分解能

われる。

< 0.2 nsec ( > 10 pC 入力時)

消費電力

< 100 mW/channel

タが作動して積分ゲートが開くまで入力信号を遅らせる必CMOS プロセス

0.35 mm

要があるが，2 段 LPF(Low Pass Filter)回路で入力パルス

パッケージ

100 pin CQFP

セルフトリガー方式であるので，
通常はディスクリミネー

13

5 QBEE のアナログパフォーマンスQBEE の時間測定分解能を図 5 に示す。図には，旧来のシステムで使用されていたフロントエンドモジュールである ATM の時間分解能と，SK の 20 inch PMT の時間分解能も合わせて示している。 1p.e. レベル(SK で使用する PMT
ゲインで約 2 pC に相当)の信号の場合，QBEE の時間分解
能は RMS で約 0.3 nsec である。同等の信号において 20 inch

PMT の時間分解能は 3 nsec 程度であり，QBEE は十分によい時間分解能を持っていることがわかる。ATM とはほぼ同等の性能である。
また QBEE の時間測定直線性については，
時間測定は 60 MHz のクロックで動作する multi-hit TDC(AMT-3)によって行われているため，ほぼ完全なリニアリ
ティを実現している。

図 6：QBEE の電荷測定直線性

6 クロック・トリガーシステム
2 章で述べた record every hit を実現するため SK では，
約 17 msec (正確には 60 MHz のシステムクロックで数えて1024 クロック分)の周期ですべての QBEE に同時にトリガー信号を送り，この 17 msec を単位として全ヒットを漏れなく記録している。
図 5：時間測定分解能

60 MHz のシステムクロックおよび 17 msec 周期の TDC

QBEE 電荷測定性能に関して，ATM と比べて大きく向上

ジュールと呼ばれるエレクトロニクスで，システム全体でしたのは，ダイナミックレンジである。ATM の場合は，入一つだけ使用される。MCLK モジュールの写真を図 7 に示

力電荷がおよそ 550 pC のあたりで飽和してしまっていたが，す。前面にある RJ45 コネクタから，8 芯 4 ペアのうちの 1

QTC は三つのゲインステージを持たせることで広いダイナペアを使ってシステムクロックを，もう 1 ペアを使って周ミックレンジを実現しており，QBEE の電荷測定の飽和点

周期トリガー信号は，期トリガーを LVDS 信号で出力する。

はおよそ 2500 pC ( 1000 p.e. 相当)となっている。この電荷

60 MHz クロックに同期したシリアル信号になっており(1測定ダイナミックレンジの拡大により，数 GeV  数十 GeV

クロック分で 1bit を表現)，トリガーごとに 1 ずつ増えていトリガーを生成するのは，マスタークロック(MCLK)モのニュートリノ事象のエネルギー測定分解能は，以前と比くトリガー番号( 32 bits )や，ペデスタルトリガーなどの特べて約半分まで小さくすることができる。

殊なトリガーを表すトリガーID( 3 bits )などの情報が付加

QBEE は 4 桁におよぶ広い電荷測定ダイナミックレンジ

されている。

を実現しながら，電荷測定直線性の面でも非常に優れている。図 6 に QBEE の電荷測定直線性を示す。1pC  2500 pCの入力電荷範囲にわたって，非直線性はほぼ 1% 以下に収まっていることがわかる。
電荷測定分解能については，Small レンジによる測定領域

図 7：MCLK モジュールである 25 p.e. ( 50 pC )以下では ATM と同等であり，1p.e. で
約 10% となっている。 25 p.e. より大きい電荷については，

MCLK モジュールで生成されたクロック・トリガー信号(ATM が飽和する約 200 p.e. までの電荷範囲で)ATM より分

は，ゼロスキューと呼ばれる，信号線の経路長をできるだ

解能は悪くなるが，それでも全範囲で 3% 以下であり，十け等しくそろえた特殊な UTP ケーブルを使い，Distributor

分な性能を有している。

と呼ばれる信号分配器を複数段経て，すべての QBEE に送14られる。SK のエレクトロニクスハット間のように 10 メー

はデータ化けや損失があれば再送するため，確実なデータ

トルを超える長い距離の部分は，伝送ロスが少なく外部ノ読み出しが二重に保障されている。TCP とは別に，単発のイズの影響もより受けにくい 2 芯同軸ケーブルを使用して読み書き用に UDP ポートや ping(ICMP)用のポートも用意いる。

した。観測データ転送中でも，UDP でステータスを読むことや，ping で接続を確認することが可能になっている。

7 イーサネットデータ読み出し
QBEE からのデータ読み出しには，広く普及しているイー

8 新オンラインシステムの概要

サネットを導入することにした。旧来の ATM ボードでのエレクトロニクスシステムの開発に合わせて，SK のオン

TKO バスを介した読み出し速度は 4 MB/sec 程度であった

ラインシステムも新たに開発が行われた。先に述べたようが，今やノート PC に標準装備されている 100BASE-TXに，新システムでは，旧来のシステムで用いられていたハー(ファーストイーサネット)でも，理論上は約 3 倍のドウェアトリガーを使用せずにすべての PMT ヒットデー

11.75 MB/sec の転送が可能である。またバスによる転送とタをオンラインシステムで処理することを目指した。
また，異なり各ボードから同時並行にデータ転送を行うことが可

近年大規模実験でも採用されている，安価な Linux PC を能であり，さらに 10 倍程度の実効的な速度向上も得られる。
今回このネットワーク要素の開発を SK のアメリカグルー

複数台導入してイーサネットでつなぎ大量のデータを各 PCが分散して処理する，という構成を採ることとした。

プが担当した。日本グループが担当する QBEE 本体の開発

ここで，オンラインシステムが処理するデータ量についと切り分けるため，ネットワーク機能をもつ小基板(ネットて簡単に説明する。SK では，約 13000 本の PMT からの信ワークカード)を作って QBEE ボードに装着する形にした。

号がフロントエンドエレクトロニクスに流れ，ヒット時間

図 8 にイーサネットカードのブロック図を示す。QBEE とと電荷の情報をデジタル化したものがオンラインシステム

カード間のデータ転送には，以前から SK で用いていた TKOに送られる。このデータは 1 ヒットにつき 6 bytes のサイズ

プロトコルを，下流の 100BASE-TX については，CPU はである。ヒットレートはおよそ 4.5 kHz/PMT であるが，そKEK 回路室で開発中であった FPGA を用いたネッ
使わず，の大半はダークノイズや環境放射能によるものである。こトワーク実装(SiTCP，シリコン TCP と呼ばれる[3])を採用のデータをすべてオンラインシステムで処理する場合，ヘッ

した。

ダなども含んだデータ全体のレートは約 470 MB/sec に達する。システムの開発にあたっては PMT のヒットレートが10 kHz 程度になってもデータが処理可能であることを目標とした。
次に新システムの構成について述べる。図 9 はオンライ
ン DAQ システムの概略を示したものである。QBEE からのデータはまず 20 台の Front-end PC(FEPC)によって読み出される。各 FEPC で処理されたデータは後段の Merger PCに送られる。Merger PC では，全 PMT のヒットデータを使ってイベントビルディングを行うが，1 台で処理を行う
図 8：イーサネットカードのブロック図
図中左側で TKO プロトコルを介して QBEE 本体とのデータ読
み書きを行う。図中右側でイーサネット(SiTCP)経由で，データ収
集計算機と接続される。

のはネットワーク処理としても PC 内の処理としても過負荷になるため，各 FEPC で時系列に並べられたデータを

22 msec ごとのブロックに分割し，それぞれのブロックを異QBEE からの観測データはスパースデータスキャンと呼ばれる連続転送モードで SDRAM に仮置きしたあと，TCP
プロトコルでネットワーク転送される。オンライン計算機
上のプログラムから見ると，ランの最初に open した TCP
ポートのローカルバッファーに自動的に観測データがたまっていくように見えることになる。TCP 送信バッファサイズ
やネットワークスイッチ設定は，転送エラーがなくかつ高速転送レートを実現するよう最適化されている。さらに TCP
図 9：新オンラインシステムの構成15なる 10 台の Merger PC に送ることで並行処理を行ってい

SK においては総データ量は数百 MB/sec のオーダーである。FEPC からのデータの行き先は Data flow manager とり，一方で各 PC の NIC はギガビットイーサネットまでのいうプロセスが制御する。Merger PC でソフトウェアトリ対応であるため，送信命令を逐次的に行っていたのでは，

ガーによるイベント選択が行われると，データ量は約 50 分

結局各 PC の NIC のスループットがボトルネックになる。

の 1 まで減少する(通常の閾値設定の場合)。イベント選択

そこで Data flow manager が一度に出す命令の数を増やし後のデータは Organizer PC に送られ，時間順につなぎ合わて各 FEPC がデータを送信している相手先をずらすことにされたものがディスクに保存される。その後データはリア

より，最終的には必要とされるスループットでデータを転

ルタイムで ROOT 形式にリフォーマットされ，種々の解析送できることが確認された(図 11)。

が行われる。

9 新オンラインシステムの性能
前章で大まかな構成を述べたところで，各コンポーネン
トの機能および性能について詳しく見ていくことにする。

FEPC では，QBEE からデータを読み出す Collector，読み込んだデータを時系列に並べる Sorter，後段の PC へとデー
タを送る Sender のコンポーネントが，それぞれスレッドとして並列で動いている。PC は 1 台に Xeon 2 CPU(4 CPUコア)を搭載するサーバ(富士通製)を用いたため，コアを満遍なく使用することがパフォーマンスの向上につながる。

図 11：Data flow manager における送信命令数と処理速度の関係
データは 22 msec の領域に分割されているため，ブロック毎の送信命令のレートは 1 / 0.022 = 45 Hz が必要となる。

先に述べた三つのカテゴリでは Sorter 部がもっとも CPUを使用しているため，このスレッドのソート部分をさらにFEPC からデータを受け取ってイベントビルディングを複数のスレッドに分割して並列作業を行わせた。
このスレッ

行う Merger PC は 10 台用意され，1 台につき 4 個のプロセド個数を変えたときの処理速度がどうなるかをダミーデー

スが並行して走っている。この Merger PC において全 PMT

タを用いて測定したものが図 10 である。スレッドの個数がのデータはマージされて再び時系列にソートされる。こう増えて，各コアの使用率を埋め尽くすようになるので徐々してできたデータブロックはソフトウェアトリガーで処理にスループットは上昇する。最終的に 64 MB/sec という SKされる。

のデータレートにたいして十分な性能を得た。

ソフトウェアトリガーのトリガー条件のうちもっとも基本的なものは， 200 nsec の時間窓で PMT ヒット数を数え，閾値を超えたらイベントとして下流に流すものである。閾
値の違いで，
太陽ニュートリノに対応する Super Low Energy
トリガー，大気ニュートリノ解析などに用いられる Low

Energy トリガーと High Energy トリガーがある。これらは旧来のハードウェアトリガーと仕組みが同じであるため，
新旧システムでのデータの比較は容易である。ヒット数によるセルフトリガーのほかに，水槽内で光源を光らせて検図 10：FEPC のデータ処理能力

出器キャリブレーションを行う際に光源の光るタイミング
信号を使ってトリガーをかける外部トリガーも実装してい

各 FEPC から後段の Merger PC にデータを送る部分では，る。旧システムでは，イベントのゲート幅は常に 1.3 msec でData flow manager と呼ばれるプロセスが，データブロック

あったが，新システムではトリガーごとに異なるゲート幅毎に送信先の Merger PC を FEPC に指示，次の指示を出すを設定することが可能となった。

前に既に命令を出したデータ送信が完了したかを Merger

PC から確認するという作業を行っている。各 PC との情報のやりとりは，Network Shared Memory と呼ばれるソフト
ウェアを用いている。これは，異なる PC 間の共有メモリ
上の内容を同期させ，情報を共有することを可能にするものである。

より複雑なトリガーとしては，超新星背景ニュートリノ
探索のための中性子トリガーが実装されている。これは，反電子ニュートリノ反応でできる中性子の捕獲ガンマ線をとらえて，バックグラウンド低減を目的とするものである。
ある程度高いエネルギーを持つニュートリノのトリガーが16かかった後に，中性子捕獲ガンマ線探索用の 800 msec の時
間ウィンドウのデータを保存している。

10 新システムのインストールと初期データ
2008 年 9 月の第 1 週に，データ収集システム全体の入れまた，まもなく本格的に始まる T2K 実験に対応するトリ替え作業が一斉に行われ，直後からシステムの稼動が開始

ガーも準備されている。これは J-PARC からリアルタイム

された。SK で新システムによる観測が開始された 2008 年

で送られてくる T2K のビームスピルの時刻情報から，対応

9 月 6 日以降現在も続く観測期間を，われわれは SK-IV とする SK のデータ 1msec 分をソフトウェアトリガーで取り呼んで区別している。SK 検出器は，いつ起きるか分からな出すものである。

い超新星爆発ニュートリノバーストに備えるという使命か

ソフトウェアトリガーで選択したデータは Organizer PC

らも，まもなく開始される T2K 長基線実験の far detector

へと送信される。ここでは各々の Merger PC で処理されたであることからも，長時間の安定した連続運転が要求されデータブロックを，ひとつの時系列に並んだデータへとまている。開発中もこの点が一番気にかかるところではあっ

とめる作業を行う。ここでの重要な作業が，重複領域の処たが，小規模システムで SK 検出器から実際にデータを取理である。10 台の Merger PC により，データを 22 msec 毎

得するテストを事前に 2 度行っていたおかげで，システムのブロックに分けて分散処理を行っているため，ブロック

入れ替え後に素早く安定したデータ取得を始めることがでの境界上のイベントを漏らさないようにそれぞれのブロッ

き，大きなトラブルも起きることなく，24 時間態勢で観測

クには 1msec 程度重複したデータを持たせてある。Organizerを行っている。

ではこの重複領域内のイベントを比較して一つにまとめる作業を行っている。

新システムによる観測データの例として，高エネルギー
大気ニュートリノ事象のイベントディスプレイを図 13 に示

太陽ニュートリノ観測のエネルギー閾値を下げるというす。旧来のエレクトロニクスでは飽和してしまって正しくのは，ソフトウェアトリガーのヒット数閾値を下げること測定できなかった 200 p.e. を超える光量についてもきちんとに対応する。この場合，ソフトウェアトリガー下流に流れ測定できていることがわかる。大気ニュートリノデータをてディスクに保存されるデータ量が増加するが，このディ用いたニュートリノ混合角 q13 の探索において重要となる，

スク書き込み速度が現システムのボトルネックになってい

数 GeV  10GeV の電子事象のエネルギー測定精度向上がる。図 12 にソフトウェアトリガー閾値とトリガーレートの見込まれる。

関係を示した。新システムでは約 12 kHz までのレート上昇

ミューオン崩壊電子の検出は，核子崩壊の識別や大気に耐えることができている(旧システムでは通常 2 - 3 kHz でニュートリノ事象の相互作用識別，T2K 長基線ニュートリ

データ取得。最大約 4 kHz )。

ノ実験における電子事象のバックグラウンド除去など，様々な物理解析に用いられる，重要な要素である。図 14 に，水図 12：ソフトウェアトリガー閾値とレートの関係

これよりさらにエネルギーの低いニュートリノデータをとるためには，よりインテリジェントなトリガーによってデータ量を減らしてやる必要がある。現在検討されているのが，オンラインで事象発生点を再構成しフィルターをか

図 13：SK-IV で観測された大気ニュートリノ事象例

けるというものである。このためソフトウェアトリガー直(2008 年 10 月 15 日，run061612，ev#5657630)

前でデータストリームを分岐させ，一方を通常の観測用の約 14 GeV の電子事象の，電子発生点からの視点における前方 180

ソフトウェアトリガーに，もう一方は事象発生点フィルタ

度以内の各 PMT が点で表され，水色の円が再構成された 42 度のリングを行う PC ファームに導くことが検討されている。
これも record every hit 方式によって可能となった手法であるといえる。

チェレンコフリングである。各点の大きさと色は測定された光量を表し，QBEE のダイナミックレンジ近く( 1000 p.e. 程度，オレン
ジ色)まで測定できていることがわかる。以前の電子回路(ATM)のダイナミックレンジは 200 p.e. 程度，図中の緑色に対応する。

17
またソフトウェアトリガーを用いて柔軟なイベント選択が行える例として，9 章で紹介した中性子トリガーのテス
ト結果について述べる。このテストでは，タンク内に入れた Am/Be 線源からの中性子が水中で捕獲され て出る

2.2 MeV ガンマ線を測定して中性子発生を観測する。2 章で述べたようにこの 2.2 MeV のガンマ線はエネルギーが低いためヒット数を用いた通常のトリガーでは捉えることはできない。Am/Be からの 4.4 MeV ガンマ線が線源の周囲に配置した BGO を光らせる事象を初期イベントとし，中性子トリガーによってそれに続く 800 msec のデータを保存して，オフラインで 2.2 MeV ガンマ線事象を探す解析を行っている。図 16 は初期イベントから，中性子捕獲の 2.2 MeV ガン
図 14：ミューオン崩壊電子事象の崩壊時間分布
黒線がミューオン事象の数と寿命から計算される崩壊電子数を，
青いヒストグラムが実際に検出された崩壊電子事象数を表す。横マ線と思われるイベントとの時間差を示した図である。得られた時定数約 200 msec は予測された値とほぼ一致している。

軸は親ミューオンからの時間差である。

槽内で止まった宇宙線ミューオンの後に検出されたミューオン崩壊電子の分布を示す。時間差 1 msec 以降はほぼ 100%の効率で電子検出ができており，エレクトロニクスの高速処理ができていることが確認できる。

SK の重要な物理目標として，超新星爆発ニュートリノの観測がある。われわれの銀河系内で超新星爆発が起きたと
きに SK で観測されるイベントレートは，通常を大きく上回る。われわれは光パルサーからの光をタンク内に導入し，超新星爆発に似せたイベントレート変化と光量で光らせる
ことにより，新システムがどこまでの高レート事象を処理できるかをテストした(図 15 参照)。結果 10 秒間で 600 万個のイベント量に対して，その間のデータを失わずに処理ができた。これは旧システムで処理可能だったイベント量

図 16：中性子捕獲ガンマ線事象の捕獲時間分布の約 100 倍，われわれのいる銀河の中心での超新星爆発の約 1000 倍に相当する。

11 まとめスーパーカミオカンデ検出器では，今後の長期安定観測と観測領域の拡大のため，データ収集システムの刷新を行った。新しいシステムは順調に観測データを取得している。
旧来のシステムでは届かなかった観測対象もすでにとらえ始めており，今後 SK での新たな成果が期待される。

References[1] Y. Arai, “AMT-3 Chip”, http://atlas.kek.jp/tdc/amt3/[2] H. Nishino et al., “High-Speed Charge-to-Time Converter (QTC) ASIC for the Super-Kamiokande Experi図 15：超新星爆発試験のソフトウェアトリガーレート

ment”, to be submitted.

SK タンク内で光源を 10 秒間，階段状のプロファイルに従って[3] T. Uchida et al., “Development of TCP/IP processing

合計 72636 回（銀河中心での超新星爆発の約 10 倍）光らせた時のhardware”, 2006 IEEE Nuclear Science Symposium

もの。

Conference Record, pp. 1411-1414, 2006.