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J-PARC での中性子寿命測定実験 - バックグラウンドの理解 -

J-PARC での中性子寿命測定実験 - バックグラウンドの理解 -. 音野瑛俊　（東京大学） and NOP collaboration. Motivation. 測定手法によって 1% の違い. t n = 878.5±0.7±0.3 sec (UCN Gravity trap : Serebrov 2008) t n = 886.3±1.2±3.2 sec (Proton penning trap : Nico 2005). →　 異なる測定手法での検証が望まれている. ビックバン元素合成での重要な役割. 中性子寿命. He と H の存在比率.

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J-PARC での中性子寿命測定実験 - バックグラウンドの理解 -

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  1. J-PARCでの中性子寿命測定実験-バックグラウンドの理解-J-PARCでの中性子寿命測定実験-バックグラウンドの理解- 音野瑛俊　（東京大学） and NOP collaboration

  2. Motivation • 測定手法によって1%の違い tn = 878.5±0.7±0.3 sec (UCN Gravity trap : Serebrov 2008) tn = 886.3±1.2±3.2 sec (Proton penning trap : Nico 2005) →　異なる測定手法での検証が望まれている • ビックバン元素合成での重要な役割 中性子寿命 HeとHの存在比率 バリオン密度 バリオン密度 G.J. Mathews, T. Kajino, T. Shima PRD71 (2005) 021302 tn = 878.5±0.7±0.3 sec tn = 885.7±0.8 sec He/H

  3. 実験原理 崩壊電子の計数 3He(n,p) 3Hの計数によるフラックス測定 ガス検出器の有感領域 • 長所 時刻 ・検出領域より短い中性子バンチ 　→β崩壊とフラックスを同一の信号領域で測定 ・4πアクセプタンス 　→99.9%以上の信号検出効率 ・統計的引き算のできないビーム起因BGの抑制（<0.1%） • 課題 信号領域 ビーム軸上の座標

  4. イベントの Time of Flight 情報 イベント数 β崩壊（シグナル） 除去不可能なBG ベータ崩壊と同期して発生するイベントでチョッパーを入れても残存する． ハードウェアレベルでベータ崩壊イベントの1/1000まで落とす必要がある TOF 0 40ms MLF水銀ターゲットに陽子ビームが衝突する際に発生する ・速中性子・ガンマ線 などで信号領域の外にあるもの プロンプト 統計処理で除去可能なBG ビームに起因する・しないにかかわらず．時間的に直流である

  5. セットアップ J-PARC MLF BL05 真空容器 β崩壊・中性子フラックス測定ガス検知器（TPC） 鉛遮蔽 宇宙線Vetoカウンタ

  6. スピンフリップチョッパーのセットアップ 磁気スーパーミラー３ フリッパーコイル２ 偏極 磁気スーパーミラー２ 非偏極 磁気スーパーミラー１ 低発散 ローパスフィルタ BL05 フリッパーコイル１ BL04

  7. スピンフリップチョッパーの動作原理 • SFC の構成 • フリッパーでパルスの一部のスピンを反転 • ミラーでスピン反転した部分の中性子のみを反射 • フリッパーとミラーを増やし、コントラスト（B/A）を向上 • 前回ビームテスト時はフリッパー、ミラーともに１つで、B/A〜6 Neutron Source 20m 1m TPC 40cm Flipper On Flipper Off A B

  8. 現在のパフォーマンス • SFC のセットアップ • フリッパー　2個 • ミラー　　　 3個 → Contrast > 400 を達成　

  9. ビーム起因BGと中性子吸収 ほとんど全ての元素は吸収と 同時に即発ガンマ線（数MeV）を 複数出して基底状態に落ちる 8Li(840msec)、20F(11.2sec)、 28Al(2.24min)、、、 励起 放射性同位体 中性子 崩壊 6Liはγ線を伴わず 崩壊するため 遮蔽として 用いられる CO2など 安定核子 ガスの構成元素が 吸収すると、即発γ線の 反跳(~1keV)を受けて イオン化を起こす

  10. ビーム起因BGの種類 3. SFC前段ミラー SFCの1・２段目のミラーに中性子が当たるときにガンマ線を発生する（TOFを反映） 2．上流ビームライン ターゲットから16m地点まであるビームラインの内部で発生するガンマ線（TOFを反映） 6. 飛行中に散乱した中性子に起因するバックグラウンド 5. 検出器中の散乱中性子に起因するバックグラウンド 7. 他のビームライン起因のバックグラウンド 3. SFC前段ミラー SFCの1・２段目のミラーに中性子が当たるときにガンマ線を発生する（TOFを反映） 2．上流ビームライン ターゲットから16m地点まである遮蔽の内部で発生するガンマ線（TOFを反映） 4. SFC最終段ミラー チョップが効いているのでパルス化されたガンマ線を発生する １．プロンプト検出器の20m上流にある破砕ターゲットから発生する速中性子およびガンマ線 （t=0に集中して発生） BL05 6. 飛行中に散乱した中性子に起因するバックグラウンド 5. 検出器中の散乱中性子に起因するバックグラウンド 7. 他のビームライン起因のバックグラウンド BL04

  11. SFCやビームラインからのBGの測定 偏極 非偏極 6Li + neutron  α + 3H 吸収長は500um程度 低発散 BL05 BL04

  12. SFCやビームラインからのBG SFC 初段、２段目のミラー TPC 11.0Hzの増加

  13. SFCやビームラインからのBG SFCの周りに鉛を積むことで 即発ガンマ線を遮蔽する 簡単な遮蔽での線量の減少は2桁 中性子崩壊タイミングで S/Nが 1/1000 の遮蔽を設計完了

  14. 最終ミラーの透過波からのBG • 透過波は入射波の“ダウンスピン成分”と“アップスピン成分の一部”から成る。 • 今回の実験では透過波が構造物に当てたため、γ線BGの原因となった。 透過波 反射波

  15. 最終ミラーの透過波からのBG 3.7Hzの増加

  16. TPC内での散乱によるBG (n,γ) 検出器内部で散乱した中性子の捕獲によるγ線BGの原因になる →(n,γ)反応を起こさない物質による散乱中性子の吸収が必要 採用している素材：LiF/PTFE 30:70の板 (100%を被覆する必要) →LiF/PTFE板を組み込んだTPC構造を試作している e- n γ

  17. BGのSummary

  18. Summary • TPCを用いて中性子フラックスと崩壊電子を同時測定し0.1%の寿命決定を目指す • SFCを用いてビームを整形し、Fiducial Volumeを決める • シグナルの検出効率は99.9%のため、BGの抑制が必須 • 統計処理で除去可能なBGについてはS/N<1以下を目指す（<0.4Hz） • 統計処理で除去不可能なBGについては1/1000を目指し設計中 • ３月までのビームタイムでの物理runを目標としている

  19. CH4のrecoil • CH4を1.5kPa混ぜて測定

  20. 65Ni 2.52hour 97Zr 16.7hour 95Zr 64.0day 8Li 840msec 28Al 2.24min 1msec 1sec 1day 1hour 1min 1year 20F 11.2sec 51Cr 27.7day 12B 20.2msec 59Fe 44.5day 31Si 2.62hour 55Cr 3.50min

  21. TPCの応答 TPCに落とすエネルギー β崩壊で生成する電子のエネルギー TPC : 20cm x 20cm x 80cm ΔE=17%@5.9keV 89%：TPCを抜ける 7%：TPC内で止まる 4%：反跳しTPCに戻る [keV] [keV] 4.9keV：99.9%のβ崩壊を捕らえるための閾値 吸収起因のバックグラウンド 〜 β崩壊　　　　←TPCに落とすエネルギーでカット　 散乱起因のバックグラウンド 〜 β崩壊ｘ0.3 ←99.7%の散乱中性子を6Liで吸収させる　

  22. 中性子の吸収と即発ガンマ線

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