165■研究紹介

K L → π 0νν 実験（KEK-E391a）の現状
エンジニアリングラン速報
KEK-E391a 実験グループ
高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所

稲 垣隆 雄takao.inagaki@kek.jp
2002 年 12 月 11 日使われる。そして、他の部分は専らベトーとしてのみ使わはじめにれるが、読み出しエレクトロニクスは同じである。

K L → π 0νν 崩壊の分岐比測定を目指す E391a 実験は、10

これらの理由から、今回のランによって、読み出し系に

月 30 日から約 1.5 ヶ月間のエンジニアリングランを行ってついてはほとんどすべての課題、測定器や解析についてはいる。E391a は、2004 年 2 月から本実験を行うことを目指最も重要な部分を調べることが出来る。あえて、エンジニして、図 1 の様なカロリメーターを主体とする測定装置をアリングランと呼ぶ所以である。ランの目標は、エレクト建設している。その中で、今回のランのために用意したのロニクス、データ採取、および解析に至る測定法をチェッは、図中の点線で囲った「下流部エンドキャップ」部分でクすることと、データを使ってカロリメーターの較正をすある。この部分には読み出し本数という点では全体の 70%ることである。実は、われわれはユニークな方法でこの「較以上の測定器が配置される。また、この「下流部エンドキ正」を試みているので、ここでは、それに焦点を絞って話00

ャップ」のみが、 K L → π νν 崩壊の π からの 2γ の測定に図1を進めたい。

E391a 測定装置

点線で囲った部分が下流部エンドキャップ

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下流部エンドキャップの組立
図 2 は、下流部エンドキャップ部の測定器配置図である。
中央にビームが通過する穴があり、内から順に、タングステンとシンチレーターを積層したカラーカウンター（６モジュール）、KTeV 実験から借用している純 CsI 結晶（25モジュール）、E162 実験で使われた純 CsI 結晶（552 モジュール、その内、外側の 56 モジュールは円形シリンダーに合う様に削られている）、鉛・シンチレーター積層型カウンター（24 モジュール）が、直径約 2m のステンレスシリンダー内に設置されている。
これらを下から順に、スペーサーを挿入することなく、しかも、相互に 0.1mm 以上の隙間も作ることなく組み上げ

図2

下流部エンドキャップ正面図

図 3 がその完成記念写真である。
るのに約 2 ヶ月を要した。
エンジニアリングランの直前には、これらのカロリメータ
ーの上流に 32 枚のプラスチックシンチレーター（ CV：Charged-Veto）が設置された。これによって、荷電粒子と γを区別する。

カロリメーターの較正の方法
本来、電磁カロリメーターはよく分かったエネルギーの電子ビームを使って較正するのが基本であるが、E391a 実
験の場合は、時間的に限られていることもあって、次の様な漸近的な方法を採用した。
①

宇宙線ミューオンおよびビーム中のミューオンを使う。

②

ビーム軸上に金属板を置き、中性粒子が衝突して生じる π 0 、 η などからの 2γ を使う。

③

K L → π 0π 0π 0 からの 6γ を使う。

図3

積み上げ完成記念写真（2002 年 9 月 20 日）

プロセス①で ADC とエネルギー間の換算係数を 10% 以を使った測定では換算係数をせいぜい 10% の精度でしか下の精度で求め、最終的に②と③で、逐次法（イテレーシ測れないだろうと予測した理由である。実は、これは間違ョン）を使って 1% に達することを目標とした。

いであった。もっと精度がよかったのである。

あらかじめ、25 モジュール/2 日のペースで、すべてのカ話が前後するが、今年 5 月には π2 ラインを使ってビームロリメーターを宇宙線によって調べた。このテストは、最テスト・T510 を行った。T510 ではサンプルとして選んだ終的な使用を考慮して真空下で行われた。さらに、組み上25 本（5×5 に並べた）の CsI モジュールを電子ビームで較げ中も、一日分の積み上げが終わると、夜は宇宙線ランを正した。TOF を使って π2 ライン自体の運動量設定確度も走らせて、作業によって生じたかも知れない重大な変化に調べ、補正した結果、結晶中に落としたエネルギー（デポ備えた。そして、組み上げ終了後には、本格的な宇宙線テジットエネルギー）と ADC 間に、 0.1% オーダーの直線性ストを行った。その結果を使って光電子増倍管に供給するがあることが判った。

高電圧値を漸次決めていった。これらのテストでは、実際

さらに、T510 ではビームを使った測定と宇宙線での測定に使用するのと同様に、長手方向を水平に置いたので、鉛を同じ時間内で行った。CsI が環境からの影響を受けやす

直成分の多い宇宙線はカロリメーターを横切ることになる。

いので、それを相殺するためである。図 4 は 3GeV の電子

たとえば、最も数の多い E162-CsI は 7cm 角で 30cm 長さのビームで得た ADC スペクトルのピークと宇宙線で得たも直方体なので、ミューオンが 7cm 通過した時の応答を測るのとの比のサンプル分布である。モジュール間のばらつきことになる。その際に落とすエネルギーは 39.4MeV で、実は 3% 以下で、このことから、宇宙線を使った較正も案外験での測定域（GeV）より随分と小さい。これが、宇宙線いけるという感触を得ていた。

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図 4 3GeV の電子ビームと宇宙線とでの ADC スペクトルのピークの比

組み上げ後のミューオンを使った較正

図5

宇宙線ミューオンによるイベントプロット

さて、組み上げ後の測定に戻る。図 5 が、宇宙線ミューオンによるイベントのオンラインプロットである。まず、

図 6 (a) は、測定した平均電荷量（ADC 分布のピークに上から下まで通過していて、しかも直線性の良いイベント対応）をモジュール毎にプロットしたものである。値はデを選び出して直線近似した軌跡を求める。この軌跡から通ポジットエネルギーが 1MeV であるように規格化している。

過厚みを個々のモジュールに対してイベント毎に求めるこよく揃っているのは、高電圧がうまく設定できていることとが出来る。

を示している。

(a)

(b)

(c)

図 6 デポジットエネルギー1MeV 当たりの平均電荷量のモジュール毎の分布(a) 宇宙線、(b) 突き抜けミューオンに対して、(c) それらの比168(a)(b)(cm)

図7(MeV)(a) 2γ の発生点の分布、(b) 2γ の有効質量分布

K0 ラインのシャッターを閉めると 10m のシールドを突き抜けた平行性のよいミューオンビームが得られる。得られたイベントから、1 モジュールにのみ信号があって、周った。また、衝突するビームが細いペンシル状なので、発生点はビーム軸上にあるとしている。
一方、エンジニアリングランでは、各種 K L 崩壊も測定しりのモジュールに信号がないものを選ぶと、そのモジューている。図 8 は同じく宇宙線による較正値を使って求めた

ルを突き抜けたイベントサンプルが得られる。図 6 (b) は、6γ -イベントの有効質量分布である。 K L → π 0π 0π 0 のきれ

この突き抜けミューオンを使って求めた「規格化された平いなピークが見える。

均電荷量」である。
そして、宇宙線によるものと突き抜けミューオンの比が、
図 6 (c) である。ほとんどのモジュールに対して、比が 1になっている。モジュール間のばらつきは小さい。突き抜けミューオンと宇宙線の通過距離には、E162-CsI では 4.29各々のピーク付近のサンプルを使って、ピーク幅が小さくなるように、一つ一つのモジュールの換算係数を繰り返し修正し、より精度よい係数を得ようとするのが逐次法である。図 7、8 は、宇宙線による較正値を使っているので、このプロセスのいわば出発点（初期値）である。

倍、KTeV-CsI では 10 倍の違いがあるので、その間の比例関係も確かめたことになる。 20% 近くのずれを示しているのは、端に置かれた細いモジュールで、隣にカロリメーターがなく、突き抜けミューオンが斜めにかすったイベントが混入したためと考えられる。図 6 には、積層型のカロリメーターは含まれていないが、斜めに削った 56 モジュールが含まれている。宇宙線の軌跡を追いかけることで、通過距離がうまく算定でき、規格化された平均電荷量を精度よく求められたことを示している。

π 0 生成と K L 崩壊を使った逐次法
ビーム軸上の CsI の前面から 3m のところに、厚み 2cmのアルミニューム板を置き、カロリメーター上に 2γ 信号が見える事象を観測した。 2γ が π 0 からのものと仮定して求めたビーム軸上の発生点分布は図 7 (a) の様である。逆に、発生点を板の中央として求めた 2γ の有効質量分布が、図 7(b) である。これらの解析では、宇宙線による較正値を使

図86γ ‑イベントの 6γ の有効質量分布

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図 9 は、 K L → π 0π 0π 0 のデータを使ってどの程度まで精度が上げられるかをシミュレーションで予測したものである。縦軸は精度、横軸はサンプル数である。宇宙線による較正が予想以上に優れていたので、数百 k のサンプルで得られうる究極まで到達できそうである。我々は π 0 生成ラン
では、アルミニューム板をビーム軸上の 2 箇所の位置に置いてそれぞれ 1.5 M （ 1.5 × 106 ）の π 0 イベントを採り、K L → π 0π 0π 0 は、1M イベントを集める予定である。
図 7、8 の様な π 0 や K L → π 0π 0π 0 のきれいなピークが得られていることは、宇宙線による較正がうまくいっており、今後の逐次法への期待も高まったことを示すだけでなく、信号があるモジュールの空間的パターンからクラスターを捜すルーチンなどソフトウエアもある程度整備されつつあることを示している。ここで強調したいのは、ラン後には、ピークから約 10M イベントの起源の分かった γ サンプルが得られ、カロリメーターの理解とソフトウエア開発に利用できるという副産物があることである。

図 9

逐次法で求められる精度と使用できるイベントサン
プル数の関係

いくつかの線は、初期値の違いによる。初期値の精度が一番よいのが、今回の場合に当たる。

エンジニアリングランでは、他にも面白いことがあるし、製作途上のバレルカロリメーターについても触れたいが、別の機会に譲る。この期間には、Dubna、Chicago、釜山、台北などの海外組と共に、佐賀、大阪、山形などから大勢の若手や先生方がつくばに集まり、にぎやかに仕事を進めている。読者諸氏も是非一度ご来訪くださることを願っている。実験場所は、KEK 東カウンターホールの南側である。