液体アルゴン検出器

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、次世代のニュートリノ実験や陽子崩壊実験、暗黒物質探索に非常に有望な検出器です。

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。

これまでとこれから

我々のプロジェクトでは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。

今後は大型の検出器作成を目指した個々のアイテムについて、研究開発を推し進めてゆく。
○　液体アルゴン純度改善
○　長期安定運用の確立
○　CW高電圧装置の開発
○　2相式読み出し素子の開発　(CERN ETHZ)

What's new!

2014.4.1　坂下氏が液体アルゴンTPCのプロジェクトリーダになりました。

2012.4.3　HPが公開されました。

現在、再び荷電粒子ビームを使ったテストを行う計画で準備を進めています.

2010.10.24-11.1　T32 実験；液体アルゴンTPC の性能を小型の検出器を用いて精密に評価し，将来の大型検出器の物理感度，特に荷電K 中間子を含む核子崩壊に関する探索感度をより信頼できる精度で決定するためのデータを取得しました。

2010.10.25 0時46分　検出器アノード上部まで約400Lの充填を確認し作業を完了、最初のビーム信号を得ました。

2010.10月初め　実験装置をKEKよりJ-PARCに搬入

2010.春　岩手大、早稲田大、チューリッヒ工科大と協力して実験機器製作しました。

2010.1月　容器に50Ｌの液体アルゴンを充填し10ppb 程度の純度を達成しました。

メンバー

坂下　健	KEK　素核研
小林　隆	KEK　素核研
長谷川　琢哉	KEK　素核研
笠見　勝祐	KEK　素核研
牧　　宗慶	KEK　素核研
Laura Zambell	KEK　素核研
成田　晋也	岩手大学
田頭拓也	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
笠井聖二	呉工業高専
藤井康丸	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

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）

成果発表

2014年度活動報告より（現リーダ坂下氏報告）
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.

次世代のニュートリノ・核子崩壊実験や暗黒物質探索のための検出器