124■研究紹介

K2K-SciBar 検出器
京都大学大学院 理学研究科

中 家

剛 for K2K 実験グループ

nakaya@scphys.kyoto-u.ac.jp
2004 年 3 月 2 日

1

E νrec . =はじめに2003 年 10 月 K2K 実験に新しい前置ニュートリノ検出器
SciBarが導入されデータ収集を開始した。SciBar 検出

mN E µ − m µ2 /2(2)mN − E µ + pµ cos θµの関係式を使って測定する。SK での 1 リングミューオン事
象 ＊を使って観測したニュートリノエネルギー分布（図 1）*

ニュートリノ反応で生成される全粒子に対して高い感度を持っている。SciBar 検出器により、K2K ビームのエネルギー（〜1GeV）での「ニュートリノ反応」の研究が飛躍的に進展し、その結果 K2K 実験のニュートリノ振動に対する感度が向上すると期待されている。本稿では SciBar 検出器について詳しく紹介する。

はニュートリノ振動がある場合とよく一致している。

Events器は細分割されたシンチレータで構成された飛跡検出器で、

12
10
8
6

2

K2K 実験

4

K2K 実験の主目的は、スーパーカミオカンデの大気ニュ
ートリノ観測で発見されたニュートリノ振動を、加速器で生成するニュートリノビームを用いて検証することである。
K2K 実験は、KEK でミューオンニュートリノビームを生

2
0

0

1

2

3

4

5
Eνrec

成し、250km 離れた神岡にあるスーパーカミオカンデ検出

図 1：スーパーカミオカンデで観測された 1 リングミュー

器（SK）でニュートリノを観測し、ニュートリノ振動を研オン事象のエネルギー分布

１２。エネルギーE（GeV）のミューオンニュートリ

点がデータでボックスエラー付きヒストグラムが振動なしの場

ノが距離 L（km）を飛行した時の存在確率は、二世代間の合のシミュレーションによる予想である。シミュレーションの事

ニュートリノ振動の場合、象数はデータ数に規格化している。実線のヒストグラムは K2K 実

究する,

1.27 m 2L
P (ν µ → ν µ ) = 1 − sin2 2θ sin2 ()
E験 で 観 測 し た 振 動 パ ラ メ ー タ の 中 心 値 (sin 2 2θ, ∆m 2 )(1)と表される。ここで θ が二種類のニュートリノ間の混合角、= (1.0, 2.8 × 10−3 eV2 ) で予想されるエネルギー分布である。点線のヒストグラムは振動なしの場合に予想される事象数で規格化されたエネルギー分布である。

∆m 2 ≡ −∆m 32 − ∆m22 (eV 2 ) がその質量の二乗差である。ニ

この結果、K2K 実験はニュートリノ振動がない場合をュートリノ振動は、SK での「ミューオンニュートリノ事象

99% 以上の確率で否定し、許されるニュートリノ振動のパ数の減少とそのエネルギー分布の変化」３ や「電子ニュー

ラメータ領域を図 2 の範囲で決定した。特に最大混合角

トリノ事象の出現」４ として観測される。現在、K2K は予（ sin2 2θ = 1.0 ）での質量二乗差（ ∆m 2 ）は (1.5 ∼ 3.9)

6.2
想ニュートリノ事象数 80.1−+5.4
に対し 56 事象観測とミュー

オンニュートリノの減少を観測した。ニュートリノエネル
ギーに関して K2K では、荷電カレント準弾性散乱を仮定しミューオンの運動量（ pµ ）とビーム軸からの角度（ θµ ）を用い、×10−3 eV 2 と高精度で決定した。この値はスーパーカミオカ
ンデの測定値とほぼ同精度で、少ない観測事象数でもニュ* 「リング」は水チェレンコフ検出器で観測されたチェレンコフリ

ングのことで、1 リングが 1 粒子に対応する用語である。1 リング
ミューオン事象とはミューオン 1 粒子だけが観測された事象である。

125
ートリノ飛行距離が決まっているため高精度で ∆m 2 が決

低エネルギーニュートリノフラックスの精密測定、各種定できるという長基線加速器ニュートリノ振動実験の特徴のニュートリノ反応の詳細な研究を目的に、新型のニュートリノ検出器を設置することが決まった。K2K 実験で KEKが表れている。
今後、K2K 実験では最終的に約二倍のデータを蓄積し、に示す。新型検出器は既存のシンチレーションファイバー/target）とミューオンレンジ検出器（図 3 右側の Muon
chamber）の間に設置された。

∆m (eV )2

水標的サンドウィッチ検出器（図 3 中央の SciFi/Water

2より精密にニュートリノ振動を研究する予定である。

に設置されている前置ニュートリノ検出器の概略図を図 3

-2

10

-3

10

-4

10

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
2
sin 2θ

図 2：K2K 実験の測定で許容されるニュートリノ振動パラ
22

メータ (sin 2θ, ∆m ) の範囲

図 3：K2K-II 実験の前置ニュートリノ検出器
SciBar 検出器は SciFi 検出器とミューオン検出器の間に設置され内側の破線が 68% 、実線が 90% 、点線が 99% での許容範囲であている。ニュートリノビームは図の左側から入射される。

る。測定された中心値 (1.0, 2.8 × 10−3 eV 2 ) は右端中央の星印で示さ

新型ニュートリノ検出器の特徴は、

れている。

3

SciBar 検出器導入の動機
ニュートリノ振動の研究の進展から、ニュートリノ振動• 低エネルギーニュートリノ荷電カレント準弾性散乱を高感度で測定するため、飛跡 10cm の陽子をトラッキング
できること。

パラメータ ∆m 2 は (2 ∼ 3) × 10−3 eV2 と分かってきた。K2K• 各種ニュートリノ反応を研究するために、検出器自身に実験でニュートリノの振動確率が最大となるエネルギー

不感領域がなく、ニュートリノ反応で生成されるすべて

2

−3

2

（E）は式（1）より ∆m = 2.8 × 10 eV の場合 E ∼ 600MeVの粒子が検出可能なこと。

に対応している。K2K ビームの平均エネルギーが 1.3GeV• 観測された飛跡に対して、粒子識別が可能なこと。

であることを考えるとニュートリノ振動は低エネルギーで• 新型検出器は実験後半に設置するため、一年程度の実験起こることになり、1GeV 以下の低エネルギーニュートリ

期間で十分なニュートリノ事象数を観測できる十分な質

ノフラックスを正確に測定することが重要となる。またニ

量を持つこと。

ュートリノエネルギーは式（2）の準弾性散乱の仮定を使って測定しているが、この方法では 1GeV 以上の高エネルギ
ーニュートリノの非弾性散乱で生じるミューオン事象が低エネルギーニュートリノ事象として観測されることがある。
図 1 で振動確率が最大となる 0.6GeV 付近で事象数がゼロになっていないのは、この高エネルギーニュートリノの非弾性散乱による事象が存在するためである。このためニュートリノ振動をより高精度で測定するためには、準弾性散

これらの条件を満たすため、細い棒状シンチレータを多数配置する全感知型飛跡検出器を設計した。検出器は多数の 棒 状 シ ン チ レ ー タ で 構 成 さ れ て い る の で 「 SciBar（=Scintillator Bar）」検出器と名付けた。検出器の概略を
図 4 に示す。SciBar 検出器は各シンチレータのヒットを使って飛跡を構成し、各シンチレータのエネルギー損失を測定することで dE / dx から粒子識別を行う。

乱以外のニュートリノ反応を観測し、ニュートリノ振動がまた、 ν µ → νe 振動の探索には、ビーム中の電子ニュー起こっているエネルギー領域にある準弾性散乱以外のニュ

トリノフラックス（約 1% ）と ν µ 中性カレント反応によるートリノ反応事象数を正確に見積もる必要がある。K2K 実

電磁シャワー事象の測定が重要となる。このため、SciBar

験の前回の結果では、準弾性散乱とそれ以外の反応の断面

検出器は、下流に 11 radiation length の物質量を持つ鉛と積比に 20% の不確定性を持っている。

シンチレーションファイバーで構成されるスパゲティカロ

126

表 1：SciBar 検出器の基本パラメータ
大きさ（縦×横×奥行）

2.9 × 2.9 × 1.7m 3

重量

15 トン

シンチレータの大きさ

シンチレータ光量

1.3 × 2.5 × 300cm 3
14,848 本 （ 内 14,336 本 を
MAPMT で読み、残り 512 本
を 8 個の PMT でまとめ読み）（PMT の近く）
16.5 光電子/cm

時間分解能

1.3nsec

エネルギー閾値

0.1MeV/シンチレータ

最大観測可能エネルギー

30MeV/シンチレータ

ノイズレベル〜3 ヒット/ビームオンタイム

ファイバー減衰長350cm

PMT ゲイン
クロストーク∼ 6 × 105 @ HV ∼ 800V
〜4%

粒子識別（誤認率）

5%（１GeV 以下の陽子/ π ）シンチレータ数

図 4：SciBar 検出器の概略図
全体の大きさは 2.9 × 2.9 × 1.7m 3 で、 1.3 × 2.5 × 300cm 3 のシン
チレータ棒約 15,000 本から構成されている。各シンチレータは波長変換ファイバーを使って集光し、64 チャンネル光電子増倍管で光量を電気信号に変換する。また、SciBar 検出器下流には Electron

検出器はシンチレータ、波長変換（WLS）ファイバー、Catcher（=EC）と呼ばれる 11 radiation length をもつ電磁カロリ

64 チャンネル光電子増倍管（MAPMT）、読み出し用電子メータが設置されている。

回路、タイミング・トリガー制御回路、ゲインモニターか

リメータ、Electron Catcher（=EC）５ が設置されている。
EC は、K2K に新しく参入したイタリア・スペイングルー
プが CHORUS 実験に使用していた電磁カロリメータを再利用して導入した検出器である。

ら成っている。以下それぞれの各構成要素を紹介する。

4. 1

SciBar 検出器全体構造

SciBar 検出器は図 4 に示すように、多数のプラスチック
シンチレータ棒が重なった構造をしている。シンチレータ

4

SciBar 検出器の基本性能
はじめに SciBar 検出器の構成要素を図 5 に示す。また検出器の基本パラメータを表 1 に示す。

棒 116 本で 1 面を構成し、その大きさは厚さ 1.3cm 幅 290cm（＝116×2.5cm）、高さ 300cm となる。このシンチレータ
面を 2 組合わせて X 面、Y 面とし、1 モジュールができている。SciBar 検出器はこの X,Y 面をもつモジュールが計 64個集まって構成されている。このため、全体の有感領域の大きさが縦 290cm、横 290cm、奥行き 166.4cm（=1.3×2×64）となっている。このシンチレータモジュールにそれぞれ横側と上側から波長変換ファイバーが挿入され、ファイバーはフロントエンド電子回路が装着されている MAPMT
へとつながる。ここまでの全構成部品が温度管理した暗室の中に設置されている。暗室の外側には、VME クレートを配置したラックが置かれており、読み出し用の電子回路とタイミング・トリガー制御回路が配置されている。

4. 2

シンチレーターシンチレータは米国フェルミ研究所で K2K 実験用に特
図 5：SciBar 検出器の構成要素

別に製作したが、シンチレータの組成自身はフェルミ研

左からシンチレータ、波長変換ファイバー、波長変換ファイバ

MINOS 実験で使われたものと同じである。シンチレータはーを束ねているゲインモニター用 Light Injection Module、64 チャ

ポリスチレンベースで PPO と POPOP がそれぞれ 1% 、

ンネル光電子増倍管、フロントエンド電子回路。

0.03% 混入されている。シンチレータの大きさは 1 本当り

127

1.3 × 2.5 × 300cm 3 で重量は約 1kg である。シンチレータはID
Entries
Mean
RMS

抽出手法を用いて 1 本当り約 1 ドル（約 110 円）と低価格で製作された。SciBar 検出器デザインの初期の段階では、

500

2000
14336
347.6
13.45

価格面から液体シンチレータの採用も考慮していたが、安価な固形シンチレータが入手可能となりフェルミ研に製作400を依頼した。
シンチレータには 250µ m 厚の酸化チタン（ TiO2 ）ベー

300

スの反射コーティングを施しており、集光性を上げている。
シンチレータ中心には直径 1.8mm の穴が空いており、この200穴に波長変換ファイバーを通して集光する。SciBar 検出器
建設前にシンチレータのファイバー読み出し法の R&D の100一環として、フェルミ研製シンチレータ、日本製シンチレ
ータ、バイクロン、エリジェン社製液体シンチレータなど

0
280

300

多数テストしたが、光量と価格の点からフェルミ研の抽出

320

340

360

380

400

attenuation length (cm)型シンチレータを採用した。シンチレータの光量はビームテストで SciBar で使うファイバーと PMT を用い測定され、

図 6：実験室で測定された 14,336 本のファイバーの減衰長

単位長さ当り 20 光電子/cm が観測された。これは SciBarの分布

平均は約 350cm である。

６

検出器の粒子識別性能を満たすのに十分な値である 。

4. 4
4. 3

波長変換（WLS）ファイバー

64 チャンネル光電子増倍管

SciBar は光検出器として浜松ホトニクス社製の 64 チャ

波長変換（WLS=Wave Length Shifting）ファイバーはク

ンネル光電子増倍管（MAPMT：Multi Anode PMT）、H8804

ラレ社製の Y11(200)MS を採用している。Y11 ファイバーを使用している。H8804 は 2 × 2mm2 に 64 分割（8×8）されの吸収波長 430nm はシンチレータの発光波長 420nm にほた光電面を持つ。このため H8804 はコンパクトである反面、ぼ一致する。シンチレータ当たり十分な光量を確保するた線形性とチャンネル間クロストークの問題を持つ。線形性

めに直径 1.5mmφ のファイバーを使っている。光量とファに関しては、PMT の増幅率を ∼ 6 × 105 と低く押さえ増幅

イバー径はテスト実験からほぼ比例関係にあることが分か器（アンプ）を使うことで、粒子識別に必要な 200 光電子っている。ファイバーは 64 チャンネル光電子増倍管に接続まで約 5% の線形性を保っている。光電面とファイバーをするために 64 本を一まとめでファイバーバンドルとして100µm の精度で位置合わせすることで、チャンネル間クロ

まとめている。このファイバーバンドルの端点を固定する

ストークを 4% と小さく抑えている。クロストークは親チために、クッキーと名付けたアクリル製の治具を用いる。

ャンネルからの補正が可能で、ある程度小さければ問題は

計 14,336 本のファイバーを使って、224 個のファイバーバ

生じない。MAPMT は、納品後ファイバーとの位置合わせンドルが製作された。

を固定するために治具（PMT フォルダー）に設置され、フファイバーバンドル製作は京都大学で大学院生と学部生のアルバイトにより約三ヶ月間かけて行われた。作製されァイバーとの位置合わせを 100µm の精度で行った。次に検出器にインストール前に以下の測定を行った。

たファイバーバンドルは直ちに、ファイバーに傷が入って 1 光電子ピークの観測とゲインの測定

いないかの目視検査と LED を使った光量測定、減衰長測定

 高電圧−ゲイン（HV-Gain）曲線の測定を 1 本ずつについて行った。ファイバーの減衰長は SciBar

 各チャンネル間の相対ゲインの測定

検出器のエネルギー補正に必要な値であり、実験室で全フ

 線形性の確認

ァイバーについて約 2% の精度で測定した。これらの厳しい

この測定をもとに、各 PMT に印加される高電圧の値を検査を通過したファイバーバンドルが KEK に送られ、検決定した。特に MAPMT は 64 チャンネルに一つの印加電出器にインストールされた。図 6 に測定した計 14,336 本の圧しかないので、各チャンネルのゲインをできるだけ均一

ファイバーの減衰長分布を示す。

に保ち、ノイズレベルを各チャンネルに対して一定にし、ファイバーの減衰長は平均 350cm でその散らばりは、フエレクトロニクスのダイナミックレンジを稼ぎ、高い線形ァイバーの納品毎に系統的に変わっていることを測定から性を維持することが重要である。実験室で決定した印加電確認した。ファイバーバンドルの製作とテストに関しては
７

文献 に詳しく述べられている。

圧に対し、全 PMT の相対ゲイン分布を測定したデータを
図 7 に示す。

entry128
500

ID
Entries
Mean
RMS

400

入力電流は数百ナノ秒の時定数を持つ増幅器で積分され、

4000
14336
1.00000.21111.2µ 秒後にその電荷量を電圧値として保持する。その後、制御信号とクロックを使って、各チャンネルに保持された電圧を読み出すことにより、各チャンネルに記録された電300

荷量を計測する。2 個の VA32HDR11 を光電子増倍管に取り付ける回路に載せ、光電子増倍管からの 64 本の信号を 1200

本の信号線で読み出せる仕様になっている。
電 圧 保 持 の た め の タ イ ミ ン グ 信 号 は 、 IDE 社 製 の

98%

100

TA32CG チップによって生成される。TA32CG は 32 チャ
0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

relative gain

ンネルの入力信号を速い時定数（〜70nsec）を持つ積分回路で積分し、信号がある閾値を越えた際にデジタル信号を

図 7：決定された HV 値での全 PMT 14,336 チャンネルの発生するディスクリミネータの役割をする。更に TA チッ

ゲイン分布

プ内で、32 チャンネルのディスクリミネータ出力のデジタ

分布の幅は RMS で 21% 、 98% のチャンネルが相対ゲイン
0.5 ∼ 1.5 の間に入っている。

ル OR を取った信号をトリガー信号として外部に出力する。
この TA の出力信号を VA のタイミング信号として用いる。

図 7 より、ゲインの分布は RMS で 21% に抑えられてい更に TA の出力を TDC で記録することで、検出器の時間ることが判る。典型的 PMT のゲインは 64 チャンネルの内情報を得ることができる。 VA チップと TA チップはの最小ゲインチャンネルと最大ゲインチャンネル間で 1：3

MAPMT に直接接続する専用電子回路（FEB：Front-End

程度にばらついており、このばらつきが図 7 の分布の幅のBoard）に載せられている。FEB の写真を図 9 に示す。

原因となっている。後の章で紹介するニュートリノ事象のイベントディスプレイは、各 PMT のゲインが高精度で調整されているために、陽子とミューオントラックの違いが一目でわかる。SciBar 検出器に設置された MAPMT の性能とテストの詳細については文献８に詳しく述べられている。

4. 5 読み出し用電子回路
われわれは SciBar 検出器のために 64 チャンネル光電子
増倍管 H8804 の読み出し専用電子回路を開発した。読み出
し回路は、シリコンマイクロストリップ検出器の読み出しによく使われているノルウェーIDE 社製のバイキングチッ
プを用いた。われわれの使用したバイキングチップ

図 9：MAPMT に接続された FEB の写真

VA32HDR11 は 32 チャンネルの入力信号を持ち、シリコンよりもゲインが格段に高い光電子増倍管の信号を扱えるよ8

う最大許容電荷が 10 電子と大きく設定されている。VA チ
ップは各チャンネルの入力電流を積分し、一定時間後にその積分値を電圧としてホールドし電荷量を記録する。 VA
チップの動作の概略図を図 8 に載せる。

ラベルを貼った中央の箱が MAPMT で、基板上に見える大きめのチップが VA/TA を含んだパッケージである。

この VA/TA の載った FEB ボードをコントロールし、VA チップからの出力電圧を AD 変換して記録する VME9U型の電子ボード DAQB（Data Acquisition Board）が開発さ

DAQB には 8 個の FEB をコントロールできるよう、れた。
8 組の FEB、CPLD、ADC チップ群が載っている。
読み出し回路は、MAPMT からの微弱な信号を高い S/N比で計測できるようノイズを非常に小さく抑えている。ノイズは典型的な PMT ゲインで約 1/3 光電子程度である。
ミューオンによる SciBar シンチレータの光量がファイバーの遠端で約 10 光電子なので、S/N 比は 30 が達成できている。
図 8：VA/TA の動作状況の概略図

129

ADC は 12 ビット ADC を採用し、0.04MeV から 40MeV
まで 0.02MeV 間隔†でエネルギー情報が記録できるようになっている。TA からの出力は各 PMT 当たり 2 個で、SciBar
全体で合計 448 チャンネルの時間情報がある。全 TA からの時間情報はアトラス実験で開発された AMT ボードを使い記録される。SciBar 電子回路の詳しい説明は文献９．１０を参照して頂きたい。

4. 6

図 10：SciBar ゲインモニター‡タイミング・トリガー制御回路

このシステムでは全 14,336 チャンネルを計 4 個の LED

SciBar 検出器では加速器からの信号をもとに、2.2 秒毎にでモニターできる。また LIM はデルリンと呼ばれるプラス

ニュートリノデータを収集する。ニュートリノデータに加チックファイアバーよりも軟らかい物質でできており、フえてビームサイクル間に、ペデスタルデータ、LED データ、ァイバーと触れてもファイバーに傷が付かないよう考えら

宇宙線データの三種類のデータを実験中常時収集している。

れている。各ファイバーにはミューオンにより生じる光量

LED データは次章で述べるとして、ここでは宇宙線データとほぼ同じ 20 光電子が分配されるように調整され、同一を収集する際に用いるトリガーボードについて簡単に紹介

PMT64 チャンネル内では 12% の均一さで光量が分配できする。トリガーボードは計 448 個の TA のヒット情報の内、ている。ニュートリノデータ収集中はビームサイクル 2.2

半分の 224 個の情報を用いる。PMT 1 本はシンチレータモ

秒毎のビームがない時に LED トリガーを送り、ゲインモニ

ジュール（4.1 章参照）8 組を読み出しているので、トリガターのためのキャリブレーションデータを収集している。

ーボードの入力はビーム軸方向に並ぶシンチレータモジュ
ール 1 番〜8 番、17 番〜24 番、33 番〜40 番、49 番〜56 番
からの時間情報である。トリガーボード上には FPGA が配5

SciBar 検出器建設

置されており、上記のシンチレータモジュールに接続されSciBar 検出器建設は 2000 年 12 月に行われた PS レビュている全 PMT の時間情報を個別に組み合わせ宇宙線トリ

ー時に、K2K 実験のアップグレードとして提案され、プロガーを作ることができる。このため、様々なトリガー条件

ジェクト開始を推奨された。そして 2002 年 12 月に最初のを設定し宇宙線事象を捕らえることができる。たとえば、

シンチレータモジュールを試験的に実験ホールに設置した。

検出器を上流から下流に完全に突き抜けた宇宙線イベント、

その際の記念写真を図 11 に載せる。

検出器中で静止しミューオン崩壊して電子を出した事象などなどである。実験中はシンプルに上流から下流に完全に突き抜けた宇宙線事象のみをビームデータと共に収集した。

4. 7

ゲインモニター

SciBar 検出器は約 15,000 チャンネルから構成されており、
全シンチレータのエネルギー情報を解析に用いることから、
全チャンネルの安定性をモニターすることが重要である。
エネルギー較正には宇宙線を用いるが、各チャンネルを 1%の精度で較正するためには約三日間の宇宙線データが必要である。このため、三日にわたり各チャンネルのゲイン変動をモニターすることが必要となる。SciBar 検出器では、
図 10 に示すように LED を光源としてその光量をフォトダ
イオードでモニターし、クリアーファイバーと光拡散器

図 11：SciBar 最初のシンチレーターモジュールを搬入した
ときの記念写真（LIM＝Light Injection Module）で光を全 WLS ファイバー
６

シンチレーターモジュール表面に記された 2002 年 12 月 17 日のに分配するシステムが開発された 。

日付が見て取れる。

†‡

ADC は 12 ビット（4,095 チャンネルまで）あるが、ADC は正負

SciBar ゲインモニターは、開発した長谷川氏の名前に因んで両方の信号に対応できるようペデスタルが 2,000 チャンネル近辺

HASEmoni（High Accuracy gain monitoring SystEm もしくはにくるように設計されているので、実質 11 ビットになっている。

HASEgawa monitor）と名づけられた。

130
そして 2003 年 6 月 23 日から本格的に装置建設が開始した。建設期間は夏の間ビームが出ない 6 月末から 9 月末までの三ヶ月で行われた。装置建設はシンチレータモジュー
ルを一日 2 組製作し設置するペースで、約一ヶ月間で全シンチレータを設置した。次に二週間かけて WLS ファイバーと PMT＋FEB を装置に取り付ける作業が行われた。最後に二週間かけてケーブル設置、暗箱の遮光、VME モジュー
ルの設置を行った。そして 2003 年 8 月 22 日に検出器は完

図 13：3 トラック事象の候補

成し、コミッショニングを開始した。9 月中は回路のバグ

ニュートリノ反応でミューオン、 π 、陽子が出ていると考えら取り、不良モジュールの交換に追われ、9 月 20 日に最初のれ る 。 代 表 的 な 反 応 例 は 荷 電 カ レ ン ト 1π 生 成 反 応 で宇宙線データを観測した。そして 10 月７日 K2K 実験が再

ν + p → µ + π + p である。

開されると、6 章で示すようにきれいなニュートリノ反応を観測することに成功した。

6

SciBar 検出器のニュートリノ反応観測
この章では実験開始後直ぐに SciBar で観測されたニュートリノ事象を紹介する。まず図 12 にニュートリノエネルギ
ー測定に用いる荷電カレント準弾性散乱事象を紹介する。

図 14： π 0 事象
π 0 → γγ で両方の γ が e +e − に対生成したことが分かる。また
π の生成点付近にも微小な信号が観測されており、ニュートリノ
反応バーテックスと考えられる。代表的な反応例は中性カレント
π 0 生成反応で ν + n → ν + π 0 + n である。
0

図 12：荷電カレント準弾性散乱 ν + n → µ + p の事象候補
シンチレータに落としているエネルギーが小さい長い飛跡がミューオン、エネルギー損失の大きい短い飛跡が陽子と考えられる。

イベントディスプレイ中の赤丸はシンチレータのヒットを表しており、赤丸の大きさが観測されたエネルギーに対

図 15：電子ニュートリノ事象候補
長い方のトラックにシャワーの発達が見て取れ、右端の EC で非常に大きなエネルギーが観測されている。バーテックス付近には
陽子トラックも確認できる。代表的な反応例は電子ニュートリノ
の荷電カレント準弾性散乱 ν + n → e + p である。

応している。また、イベント中に見られるボックスは TAの時間情報に対応していている。ニュートリノビームが出る時間は 1.2μ秒であるが、TA の信号は約 50μ秒記録されていて、トラックに付随しない多くのノイズヒットも観測にかかる。このノイズヒットはビーム時間を限定すれば、

図 16：SciBar でエネルギー損失の大きな 1 トラックのみを

イベント当たり約 3 ヒットと大幅に削減できる。

観測した事象次の図 13〜16 に様々なニュートリノ事象を示す。

中性カレント弾性散乱と考えられる。 ν + p → ν + p である。

131
以上見てきたように、SciBar 検出器で多種多様のニュートリノ反応が観測できる。2003 年 10 月 7 日から 2004 年 2月 15 日の実験期間で、SciBar 検出器で約 30,000 事象以上のニュートリノ反応のデータが記録されていると見積もられている。ニュートリノデータの解析は現在進行中で、今回は割愛することとする。

7

宇宙線事象を使った SciBar 検出器の較正
SciBar 検出器のキャリブレーションは宇宙線事象を使って行う。ここでは、ファイバーの減衰長測定、各チャンネ
ルのエネルギー較正、時間較正、検出器の位置調整について簡単に紹介する。これらの較正に使用する宇宙線の事象のイベントディスプレイを図 17 に示す。

図 18：SciBar 検出器で測定した宇宙線によるエネルギー損
失の場所依存性
縦軸はシンチレータ中の通過距離を補正した後の ADC カウント
で、横軸は反応点から PMT までの光の WLS ファイバー中の伝播距離である。

7. 2

エネルギー較正

SciBar 検出器のエネルギー較正は宇宙線ミューオンがシンチレータに落とすエネルギーを測定することで行う。このため、宇宙線ミューオンのトラックをもとに、ファイバーの減衰長による位置依存性、各シンチレータ中の通過距
離、そして各 PMT チャンネルのゲイン補正を行う。PMTの絶対ゲインは 1 光電子測定で測った値を HV-Gain 曲線で印加電圧まで外挿することで求まる。これらの補正をした
後のシンチレータで観測した典型的な宇宙線によるエネル

図 17：宇宙線事象のイベントディスプレイの側面図
右上から宇宙線が入射している。

7. 1

ファイバーの減衰長の測定

entry

ギー分布を図 19 に載せる。
ID
Entries
Mean
RMS

250

23238
2589
134.9
57.94

200

150

検出器のエネルギー応答を補正するためには、エネルギ
ー測定位置依存性を知る必要がある。この位置依存性は主に WLS ファイバーの減衰によるが、ファイバー端の反射の影響も無視できない。検出器建設前に全 WLS ファイバーの減衰長は実験室で測定されているが、建設後もファイバー

100

50

0

0

100

200

の減衰長に経年変化がないか調べるために、常時宇宙線を使ってファイバーの減衰長をモニターしていく必要がある。
宇宙線を使って測定したあるシンチレータの PMT 側からの ADC（エネルギー）の距離依存性を図 18 に載せる。図

300

400

500

600
ADC

図 19：シンチレータ 1 本当たりの宇宙線によるエネルギー
損失の ADC 分布

18 で測定されたファイバーの減衰長はインストール前に実分布はランダウ分布型をしており、平均で 135ADC/cm

験室で測定された値とよく一致していた。また、フィットのエネルギーが観測されている。ここで 1 光電子が約 7ADC

曲線が対数プロットで直線にのらないのは、末端での反射

カウントに対応しているので、このシンチレータの平均光が原因であり、反射の効果は宇宙線データを用いて測定し量は約 20 光電子になる。同様の解析を全シンチレータにつた。検出器インストール後全ファイバーに関して減衰長といて行い、すべてのシンチレータの平均光量を求めた。そ反射の影響を測定し、エネルギーの位置補正に用いている。

の結果を図 20 に示す。

132

8

SciBar 検出器が拓く物理
SciBar 検出器は 3 章で述べたようにニュートリノ振動解

析のために低エネルギー領域でのニュートリノフラックス
を荷電カレント準弾性散乱を使って測定することと、スーパーカミオカンデでの 1 リングミューオン事象でのエネルギー測定で荷電カレント準弾性散乱以外の反応のバックグ
ラウンドを正確に見積もることを主目的に建設された。し
図 20：全シンチレータの平均光量分布

かし 6 章で見たように、SciBar は不感領域のない細分化された検出器で多種多様なニュートリノ反応を識別し、その図 20 より SciBar のシンチレータの光量は宇宙線ミュー反応の詳細な研究をすることができる。現在の 1GeV 領域

オンに対して平均で 16.5 光電子/cm と測定された。宇宙線のニュートリノ反応断面積のデータを図 21 に示す。図 21

ミューオンの平均エネルギー損失が 2.1MeV/cm より、より 1GeV 領域のニュートリノ反応のデータの精度はあま

SciBar シンチレータの光量は 7.9 光電子/MeV となる。こり高くないことがわかる。SciBar の測定により 1GeV 領域の光量はデザイン値通りであり、dE / dx による粒子識別にのニュートリノ反応のデータの精度が上がり、研究が進展必要なスペックを満たしている。

することを期待する。

図 20 でシンチレータ当たりの光量が RMS＝2.3 光電子/cm とばらついているが、これは個々のシンチレータの光量が違うのではなく、ファイバーと PMT のガラス面とのコンタクトのためにばらついていると考えられている。実験では、図 20 の光量を基に各シンチレータのエネルギー損
失を 2.1MeV/cm と設定するようにエネルギー較正を行う。

7. 3

時間較正

SciBar 検出器はエレクトロニクスの関係から PMT 当た
り 2 個、32 チャンネルをまとめた時間情報を持っている。
宇宙線を使い、TQ（時間−電荷）補正、ファイバー中の光の伝播速度の補正を行い、最近接チャンネルで時間分布の差を測定した。結果、SciBar 検出器の時間分解能は TA１

図 21：ニュートリノ反応断面積
測定精度はエネルギーにも依るが約 20% の不定性を持っている。

SciBar を使い以下に挙げる各種ニュートリノ反応をよりチャンネル当たり 1.34nsec と測定された。SciBar 検出器で高精度で測定することを計画している。

はこの時間情報を使い、ニュートリノ以外のバックグラン• 荷電カレント準弾性散乱 ν + n → µ + p と、その微分断

ドの識別や、トラックの進行方向の同定を行う。

面積を記述する上でのモデルパラメータである軸ベクトル質量（ M A ）の測定

7. 4

検出器の位置調整

宇宙線を使ったキャリブレーションのもう一つ重要な点
は検出器の位置調整である。SciBar 検出器は 64 個のシンチ
レータモジュール（4.1 章参照）から構成されている。検出器設置時に各モジュールは数 mm の精度で位置合わせを行っているが、その後宇宙線ミューオンの直線トラックを用いて各モジュールを 100µm の精度で位置調整（アライメン• 荷電カレント 1π 生成反応 ν + (n, p) → µ + (p, n ) + π とその M A（この反応では中間状態として ∆ 共鳴を経由する）• 荷電カレント深非弾性散乱による多重 π 生成反応
ν + (n, p) → µ + (p, n ) + π + π....

• 核子とのコヒーレントな荷電カレント π 生成反応
ν + 12C → µ + 12C + πト）を行なった。また、SciBar 検出器と K2K の他の検出器• 中性カレント弾性散乱 ν + p → ν + p と M A（後方ミューオンレンジ検出器）との位置調整も宇宙線ミュ• 荷電カレント π 0 生成反応 ν + n → ν + n + π 0 （J-PARC

ーオンとニュートリノ反応で生成されたミューオンを用い

ニュートリノ実験で電子ニュートリノ出現探索の大きなて行った。

バックグラウンドとなる）

133• その他の稀な反応（例としては γ 線生成反応
ν + (n, p) → µ + (p, n ) + γ やストレンジネス（ K , Λ ）生

学部学生の多大な協力がありました。この場を借りて皆様にお礼を申し上げます。

成反応などなど）
以上の測定は、ニュートリノ反応のデータベースを一新
するのはもちろんのこと、将来のニュートリノ実験に必要不可欠の情報として価値が高い。このため多くのニュート
リノ研究者がわれわれの結果を期待している。

参考文献
1. 実験の詳細は下記の K2K 実験 homepage を参照：
http://neutrino.kek.jp/

電子ニュートリノのフラックスを SciBar で精密に測定

2. Detection of accelerator-produced neutrinos at a dis-

して、SK での ν µ → νe 振動の探索感度を向上させることもtance of 250 km, S. H. Ahn et al. (K2K Collaboration),

重要な研究項目である。SciBar では約 10% 以下の精度で電子ニュートリノフラックスを測定できると考えられている。

Phys. Lett. B511 (2001) 178-184.
3. Indication of Neutrino Oscillation in a 250 km

また前置検出器で短基線電子ニュートリノ出現事象

Long-Baseline Experiment, M. H. Ahn et al. (K2K Col-（ ν µ → νe ）の探索ができれば、LSND 実験の結果に対してlaboration), Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 041801.

制限を加えることも可能であり、今後の進展を期待する。

4. Search for Electron Neutrino Appearance in a 250 km

最後に、最近陽子スピンに寄与している可能性のある核

Long-Baseline Experiment. M. H. Ahn et al. (K2K

子中のストレンジクォークのスピン寄与 ∆s が、ニュートリ

Collaboration),

ノの荷電カレント準弾性散乱と中性カレント弾性散乱の断hep-ex/0402017.

面積比から測定できると提案されている１１。この断面積比を 5% の精度で測定すれば、核子中の ∆s に有意な情報を提供することができる。現在 K2K でも測定可能性の検討を開始した。

submitted

to

Phys.

Rev.

Lett.,

5. Performance of the CHORUS Lead-Scintillating Fiber
Calorimeter. S. Buontempo et al., Nucl. Phys. Proc.
Suppl. 54B (1997) 198-203.
6. K2K 長基線ニュートリノ振動実験における全感知型飛9

さいごに
SciBar 検出器は大勢の人の協力と援助により予定通り完成し、2003 年 10 月からデータ収集を開始した。SciBar は多種多様なニュートリノ反応のデータを記録しており、今後これらのデータの解析を通して新しい物理像の構築に貢献できることを期待している。SciBar はプロジェクトの立案から検出器完成まで約三年と最近の高エネルギー実験の跡検出器の基本性能の評価およびゲインモニターシス
テムの開発，長谷川雅也，京都大学修士論文(2003)，

http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/paper/
7. K2K 長基線ニュートリノ実験全感知型シンチレータ飛跡検出器における波長変換ファイバー読み出しシステ
ムの性能評価，森田太智，京都大学修士論文(2004)，

http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/paper/

中では比較的短期間で完成した。プロジェクトが予定通り

8. 新型ニュートリノ検出器 SciBar に用いる光電子増倍管

進んだのは、実験メンバーの努力は当然のこととし、実験の性能評価とゲイン測定，佐々木通，京都大学修士論文

グループ外の多くの人々の援助によるところが大きい。

(2004)，http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/paper/

特に KEK 素核研の田井野先生には、検出器インストー
ル中は、連日若い学生以上に精力的に検出器の組み立てをして頂いて本当に感謝しています。実験グループの一員としてグループを代表しここに感謝の意を表します。

SciBar 検出器の読み出し用電子回路開発は KEK 回路室の指導・援助の下、KEK・京大・韓国ソウル大学の共同で行われました。特に VA/TA 読み出し回路は KEK 回路室の村上様、タイミング・トリガー制御回路の開発は KEK 回路室の島崎様の多大な貢献があり、この場を借りて感謝の意を表します。
また、SciBar 検出器の建設に関して広島大学、神戸大学、
京都大学、および韓国、アメリカ、スペイン、イタリアの

9. K2K 長基線ニュートリノ振動実験シンチレータトラッ
カーにおける読み出し用エレクトロニクスの開発，山本真平，京都大学修士論文(2003)，

http://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/paper/
10. Development of the Readout System for the K2K SciBar Detector, M. Yoshida et al., to be appeared at theproceedings of IEEE 2003 Nuclear Science Symposium.
11. Strangeness in the nucleon: neutrino-nucleon and polarized electron-nucleon scattering, W. M. Alberico et al.,Phys. Rep. 358 (2002) 227-308.