液体アルゴンTPC 開発研究

液体アルゴン タイムプロジェクションチェンバー(TPC)検出器は、将来の大型(20kton以上)ニュートリノ測定器の候補であり、陽子崩壊実験、暗黒物質探索に非常に有望な検出器です。
特徴
•3次元イメージング飛跡測定器
•高い粒子識別能力と高精度なエネルギー損失測定能力
•ニュートリノのエネルギーを高い所まで測定可能


概要

液体アルゴンは沸点約87K,密度1.4 g/cm3 の物質で,カロリーメータなどにも使われている。また,液体アルゴンTPC 検出器は,カルロ・ルビア氏によって提案されて以来,着々と研究開発が進められ,現在は総重量600トンのICARUS 実験が稼働中であり、長基線加速器ニュートリノ振動や核子崩壊に関する物理結果が近いうちに公表されることが期待される。液体アルゴンTPC検出器の魅力はその泡箱並みの飛跡検出能力にある。泡箱並みの飛跡検出能力があれば,次世代実験で重要になる電子の検出効率が高いことや背景事象であるπ0(pi0) を伴うニュートリノ反応事象との区別がつきやすいことは想像に易い。また,チェレンコフ光が出にくいKや陽子などの重い粒子の飛跡検出も全く問題がない。さらに粒子識別もTPCの1ch 毎のローカルなエネルギー損失を使用することにより強力なアルゴリズムを考えることができる。
最近では暗黒物質探索で液体アルゴンTPCを使用するのが流行となっている。これは、暗黒物質が反跳して出る信号とガンマ線などの背景事象を、光信号の時間波形・波高を使って強力に識別することが可能となるからである。我々は暗黒物質にも使用可能な検出器の開発研究も精力的に行っている。

 

原理

電離電子を捉える

 

○読み出し面(アノード)で2次元(3mm~4mmpitch)の情報+時間で3次元飛跡を測定


○最小電離損失粒子による信号量は、約1fC/mm


液体中では増幅はない


○ドリフトの途中で不純物(O2,H2O)による電離電子の減衰が起こる: 0.1ppbで3msecドリフト(4.8m*)後に約1/3
長いdriftには高純度なLArが必要


○ドリフト電子のdiffusionは小さい (5mドリフ
ト後に1-2mm以下)

これまで

2008年より開発に着手し、翌2009年には容量約10Lの検出器を製作したが、これにより日本では初めてとなる10cmx 10cmx5cmの気液2相式のTPCの開発に成功し、宇宙線信号の検出に成功した。2010年秋には容量約250Lのテストスタンドにおいて40cmx80cmx40cmのTPCを開発した。また J-PARC K1.1BRビームラインにおいて、荷電粒子を用いた特性評価試験を行った。2011年には、冷凍・純化系の見直しで達成純度 は0.3 ppbより良くなり、CW電源を用いてのドリフト電場は最高1500V/cmとなった。また、CERNにて40cmx80cm 2相式の読み出し素子の開発を成功させた。

今後の大型化に向けた要素技術の開発

国内大学との共同研究で、大型化に向けた要素技術開発を小型測定器を用いて進めている。

  << コストを抑え、大型化を目指す >>

現在、開発を進めているテーマ

  • 信号読み出し面および読み出しエレクトロニクス  電離電子の信号を信号-雑音比10以上で読み出す
  • 液体アルゴンの純化装置 純度0.1ppb以下の長期維持
  • 高電圧生成装置 数百kV以上の高電圧生成

What's new!

2016.4月 2015年成果報告を掲載とメンバーの更新

2014.4.1 液体アルゴンTPCのプロジェクトリーダとして坂下氏が新たに活動を始めました。

 

 

 

これまで

メンバー

小林 隆 KEK 素核研
長谷川 琢哉 KEK 素核研
坂下 健 KEK 素核研
笠見 勝祐 KEK 素核研
牧 宗慶 KEK 素核研
成田 晋也 岩手大学
根岸 健太郎 岩手大学
黒川真行 岩手大学
黒森雄介 岩手大学
庄司愛子 岩手大学
相澤里紗 岩手大学
小成拓輝 岩手大学
笠井 聖二 呉工業高専
柴村 英道 埼玉県立大学名誉教授
海野 義信 KEK 素核研

*黄色はレビューア

成果発表

2015年度活動報告より

1)論文
"Liquid Argon TPC Neutrino Detector", K.~Sakashita, JPS Conf. Proc. 8, 023011 (2015).

2)発表

国際会議発表
R&D toward realization of the huge (>10kton) Liquid Argon TPC, S.Narita (Iwate University), 7th AFAD, Feb, 2016 "LAr TPC R&D status", K.Sakashita(KEK), Workshop for Neutrino Programs with facilities in Japan, Ibaraki, Japan August-4-6 (2015)
"Liquid Argon Time Projection Chamber R&D at KEK” (Poster), L.Zambelli (KEK), The international workshop on future potential of high intensity proton accelerator for particle and nuclear physics (HINT2015)

国内研究会、学会発表
2016
"大型液体アルゴンTPC測定器(>10kt)の開発に用いる30L小型測定器の運転試験および性能評価" 黒川真行(岩手大), 日本物理学会、東北学院大学 仙台2016年3月
"大型液体アルゴンTPC測定器(>10kt)で用いる信号読み出しエレクトロニクスの開発" 黒森雄介(岩手大), 日本物理学会、東北学院大学 仙台、2016年3月

2015
液体アルゴンTPC用読み出しエレクトロニクス開発の現状、坂下健(KEK), 計測システム研究会, July 2015
小型液体アルゴンTPCのための強電界生成法の開発と特性評価、田頭拓也(岩手大)、電気関係学会東北支部連合大会、Aug. 2015
Toward realization of >10kton Liquid Argon TPC, K.Sakashita and T.Hasegawa (KEK), 液体TPC座談会, Aug. 2015
液体アルゴンTPCのための信号読み出し装置の開発、黒森雄介 (岩手大)、JPS 2015.秋
液体アルゴンTPC測定器の電場形成理解、田頭拓也(岩手大)、新学術領域「ニュートリノフロンティアの融合と進化」研究会、Dec. 2015
液体アルゴンTPC測定器の読み出しエレクトロニクス開発研究、黒森雄介(岩手大)、新学術領域「ニュートリノフロンティアの融合 と進化」研究会、Dec. 2015

3)修士論文
”30L液体アルゴンTPCにおける粒子飛跡決定性能評価” 田頭拓也(岩手大)、2015年度

4)コラボレータ
小林 隆、長谷川 琢哉、坂下 健、笠見 勝祐、牧 宗慶、成田 晋也、根岸 健太郎、黒川真行、黒森雄介、庄司愛子、相澤里紗、小成拓輝、笠井 聖二

5)外部資金獲得状況
科研費・新学術領域 (計画研究) 「液体アルゴン3次元飛跡イメージング検出器の開発研究」(2013-2017)

 

2014年度活動報告より(リーダ坂下氏報告)
1)パブリケーション 
なし

2)学会・会議発表 
"液体アルゴンTPC測定装置開発の現状", 坂下健(KEK),   日本物理学会, 早稲田大学、2015年3月 
"Liquid-Argon TPC neutrino detector", K.Sakashita, 2nd J-PARC symposium, Ibaraki, Japan July-12-15 (2014)

3)コラボレータリスト 
小林隆、長谷川琢哉、坂下健、笠見勝祐、牧宗慶、Laura Zambelli、 
成田晋也、佐々木亮輔、田頭拓也、笠井聖二

4)共同利用者数 
4名

5)外部資金獲得状況 
科研費・新学術領域 (計画研究) 「液体アルゴン3次元飛跡イメージング検出器の開発研究」(2013-2017)

 

2013年国際レビュー委員会報告より(旧リーダ丸山氏報告)
PUBLICATIONS (2010-2013)
O.Araoka, et al “A tagged low-momentum kaon test-beam exposure with a 250L LAr TPC (J-PARC T32)” J. Phys. Conf. Ser. 308, 012008 (2011)
M.Tanaka, et al “Recent results from Liquid Argon R&D at KEK” J. Phys. Conf. Ser. 308, 012008 (2011)
T.Maruyama “R&D towards huge liquid argon detectors for nucleon decay, neutrino astrophysics and CP-violation in the lepton sector”, AIP Conf. Proc.1222, 117 (2010)
A.Badertscher et al, “A Possible Future Long Baseline Neutrino and Nucleon Decay Experiment with a 100 kton Liquid Argon TPC at Okinoshima using the J-PARC Neutrino Facility”, arXiv:0804.2111 [hep-ph].(2008)

TALKS (2010-2013) AT INTERNATIONAL CONFERENCES;
“Update on LAr TPC Studies in Testbeams in Japan”, T.Maruyama, LAr workshop, Chicago, USA, 20-21 March 2013.
``Update on LAr TPC Studies in a Testbeam in Japan'', T.Maruyama, 13th International Workshop on Next generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors, Chicago, USA, October 2012.
"J-PARC T32 status and plans" M.Tanaka, 12th International Workshop on Next generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors Crowne Plaza Hotel in Zurich, Switzerland, November 7 - 9, 2011
"T32@J-PARC results", T.Maruyama, 2nd International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2011), Jyvaskyla, Finland
”Liquid Argon TPC”, The 2nd Joint Asian Accelerator Workshop (JAAWS), Korea. 2010
“250L”, T.Maruyama, 1st International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2010), Tsukuba, Japan, Mar-2010
“Recent results from Liquid Argon R&D activity”, M.Tanaka, 1st International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2010), Tsukuba, Japan, Mar-2010
”Liquid Argon detector R&D in Japan”, Workshop on Next Generation Nucleon decay and Neutrino Detectors, Colorado, USA, Oct-2009 (NNN09)
”R&D towards Huge Liquid Argon Detectors for Nucleon Decay, Neutrino Astrophysics and CP-violation in the Lepton Sector”, NuFact2009 (11th International Workshop), Chicago, USA, July-2009
”Future of Flavor Physics (T2K)”, Hints for New Physics from Flavor Decays workshop, KEK, Japan, March-2009.

投稿論文、国際学会、国内学会発表(2012年まで)
[著書]
高エネルギーニュース Vol.30 No.2  液体アルゴン飛跡検出器開発研究の現状  丸山和純・田中雅士

 

[投稿論文]
[] O.Araoka, et al “A tagged low-momentum kaon test-beam exposure with a 250L LAr TPC (J-PARC T32)” J. Phys. Conf. Ser. 308, 012008 (2011)
[] M.Tanaka, et al “Recent results from Liquid Argon R&D at KEK” J. Phys. Conf. Ser. 308, 012008 (2011)
[] T.Maruyama “R&D towards huge liquid argon detectors for nucleon decay, neutrino astrophysics and CP-violation in the lepton sector”, AIP Conf. Proc.1222, 117 (2010) 
[] A.Badertscher et al, “A Possible Future Long Baseline Neutrino and Nucleon Decay Experiment with a 100 kton Liquid Argon TPC at Okinoshima using the J-PARC Neutrino Facility”, arXiv:0804.2111 [hep-ph].(2008)

 

[国内学会発表]

2012年年次大会;
  アルゴンを用いた光検出器の性能評価及び最適化 長坂優志
荷電粒子ビームを用いた250L液体アルゴンTPC検出器の性能評価 岡本飛鳥
250L液体アルゴンTPC検出器の性能向上 田中雅士
2011年秋季大会;
  J-PARC K1.1BR ビームラインにおける250L液体アルゴンTPC検出器の性能評価 田中雅士
J-PARC K1.1BR ビームラインにおける250L液体アルゴン検出器の解析1 岡本飛鳥
J-PARC K1.1BR ビームラインにおける250L液体 アルゴン検出器の解析2 岡本迅人
平成23年度 電気関係学会 東北支部連合大会(2011.8.25-26)
  液体アルゴンTPC検出器の開発 内藤裕貴

第8回日本加速器学会年会(2011.8.1-3);

  液体アルゴンTPC検出器用クライオスタットの開発 牧宗義
高エネルギー春の学校;(2011年5月 彦根)
  検出器(液体アルゴン)講義; 丸山和純
液体アルゴンTPC検出器の開発; 三谷貴志
2010年秋季大会;
  液体アルゴンTPC検出器の性能評価 三谷貴志
液体アルゴンTPC検出器におけるシンチレーション光検出に関する研究 永野間淳二
250L液体アルゴンTPC検出器の性能評価 田中雅士
2010年年次大会;
  10L液体アルゴンを用いたTPCの研究 岡本迅人
250L液体アルゴンTPC検出器の開発 田中雅士
2009年秋季大会;
  液体アルゴンTPC検出器の研究開発(1)丸山和純
液体アルゴンTPC検出器の研究開発(2)田中雅士


[国外発表]

[] 国際招待講演; "J-PARC T32 status and plans" M.Tanaka, 12th International Workshop on Next generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors Crowne Plaza Hotel in Zurich, Switzerland, November 7 - 9, 2011
[] 国際招待講演、 "T32@J-PARC results", T.Maruyama, 2nd International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2011), Jyvaskyla, Finland
[] 国際招待講演、”Liquid Argon TPC”, The 2nd Joint Asian Accelerator Workshop (JAAWS), Korea. 2010
[] 国際招待講演; "Development toward a Giant Liquid Argon Observatory in Japan", T.Hasegawa, Neutrino2010 in Greece.
[] 国際招待講演、“250L”, T.Maruyama, 1st International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2010),
Tsukuba, Japan, Mar-2010
[] 国際招待講演、“Recent results from Liquid Argon R&D activity”, M.Tanaka, 1st International Workshop towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment (GLA2010), Tsukuba, Japan, Mar-2010
[] 国際招待講演、”Liquid Argon detector R&D in Japan”, Workshop on Next Generation Nucleon decay and Neutrino Detectors, Colorado, USA, Oct-2009 (NNN09).
[] 国際招待講演、” R&D towards Huge Liquid Argon Detectors for Nucleon Decay, Neutrino Astrophysics and CP-violation in the Lepton Sector”, NuFact2009 (11th International Workshop on Neutrino Factories, Superbeams and Beta Beams), Chicago, USA, July-2009
[] 国際招待講演、”Future of Flavor Physics (T2K)”, Hints for New Physics from Flavor Decays workshop, KEK, Japan, March-2009.

学位取得状況

早稲田大学 修士 岡本迅人 (平成23年度)
早稲田大学 修士 長坂優志 (平成23年度)
早稲田大学 学部 岡本迅人 (平成21年度)
早稲田大学 学部 長坂優志 (平成21年度)
早稲田大学 学部 三谷貴志 (平成21年度)
早稲田大学 学部 岡本飛鳥 (平成22年度)
早稲田大学 学部 藤崎 薫 (平成22年度)
岩手大学  修士 内藤裕貴 (平成23年度)

最終更新日: 04/14/2016