原子核乾板技術 名古屋大学 東邦大学 神戸大学 愛知教育大学 日本大学 原子核乾板 サブミクロン精度三次元飛跡検出器 Long history in Neutrino Research • 1978-1983 Fermilab E531 charm nm->nt • 1990-2000 CERN WA95 CHORUS nm->nt charm • 1994-2001 Fermilab E872 DONUT nt • 2000CERN CNGS01 OPERA nm->nt ~ 100kg ~ 1 ton ~ 1 ton 1250 ton Neutrino Detector （OPERA ECC） 7.5cm 12.5cm n 10cm 8.3kg, 10RadiationLength 57 Nuclear Emulsion [ Fuji film ] + 56 1mm thick lead OPERA Detector @ GranSasso n ECC 150000 Weight 1250 ton ~9 M film 3rd tau neutrino event (τ- -> μ-) 鉛 Pointing 1ry VTX 反応点VTX：鉛中 深さ225ミクロン タウと1ｒyハドロンのIP :0.4micron VTXへのタウの娘mu粒子の IP:93.7micron Φ~154.5° タウの崩壊点 :プラスチックベースの中間点 タウと娘のmu粒子のIP:0.8 micron 崩壊角: 0.245±0.005rad μ粒子の崩壊Pt: 690±50MeV/c μｰ X B Target Tracker hits RPC hits P2<0 negative charge 5.6 σ significance R ~ 85 cm νμ→ντ νμ→ντ nt nt A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010 A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010 9 animation 2000 mm nt ne Eneutrino = 15.6 GeV Energy distribution 低BG 期待値 測定値 Non-standard nm → ne oscillations P = sin2(2qnew)・sin2(1.27Dm2new L(km)/En(GeV)) OPERA “Search for nm → ne oscillations with the OPERA experiment in the CNGS beam” arXiv:1303.3953 [hep-ex] (2013) 原子核乾板技術 • 原子核乾板本体 1950年代～ 富士写真フィルム による開発/供給 2000年代～ 2010年～ 写真のデジタル化 名大で開発開始 富士フイルムOBの技術者・写真研究者 の協力の下 • 読み出し 1970年代～ 自動飛跡読取装置 （Track Selector) 原子核乳剤製造装置 富士フイルムOB 桑原氏 装置：富士ジャネット 露木氏 富士フイルムOB 15 原子核乾板開発 ＠名大 物理目的に最適な 原子核乾板を自前で １バッチ質量100gの 製造所要時間：約4h → 3kg/week 乾板R&Dに加え、kg スケールの製造が可能 200nm 100nm 70nm 35nm crystal SEM 結ゼ 晶ラ のチ ン を 写除 真去 し た 従来型原子核乾板 500nm For dark matter 世界最高感度の原子核乾板開発に成功 GD= 86.1± 4.7 FD= 2.9 ± 0.9 100mm OPERA型 GD=34.8±0.6 FD= 3.7±0.4 100mm 新開発乳剤の検出効率評価 新開発乳剤：96±1 ％ OPERA Film：78±3 ％ 宇宙線による評価 多用領域 N abs コインシデンス法によ るBG 除去のため Doublet 以上で使用 N obs 2 入射角度 2 2 N abs N obs 2 N abs N obs 系統誤差 新開発乳剤：±2 ％ OPERA Film：±8 ％ 2 開発スケールから実用量産スケールへの 展開 製造バッチ当り： 1リットル→１０リットル 設計完了 原子核乾板技術 • 原子核乾板本体 1950年代～ 富士写真フィルム による開発/供給 2000年代～ 2010年～ 写真のデジタル化 名大で開発開始 富士フイルムOBの技術者・写真研究者 の協力の下 • 読み出し 1970年代～ 自動飛跡読取装置 （Track Selector) Developmemt of the read-out speed Speed in cm2/h １００００ 10000 SUTS for OPERA 1000 72 100 10 1 1 0.082 0.1 0.01 0.003 0.001 TS(TTL) 1983 NTS(CPLD) UTS(FPGA) SUTS(FPGA) 1994 1998 Detection of Tau Neutrino 2006- HTS HTS(GPGPU） 2012 2011-2012 OPERA First νμ→ντ events 21 2010 最新鋭 原子核乾板読み出し装置 HTS 現在の世界最高速機SUTSの100倍 HTS ビデオ 22 気球搭載型大口径高 精度γ線望遠鏡 基礎研究 宇宙の暗黒物質 の飛来方向検出 原子核乾板 ニュートリノ研究 CHORUS DONUT OPERA All Flavor Tagging Detector nt/nm/neとその反粒子 乳剤・乾板技術 マイクロラジオグラフィー 高位置分解能放射線検出 X線、放射性物質 Non Standard Interaction ν反応断面積 νBeam Monitor 飛跡読出し技術 応用研究 μ粒子ラジオグラフィー 大型構造物の透視 火山、熔鉱炉など 中性子ラジオグラフィー 核融合炉モニタリングなど Air Air 15mm 15mm Air Gap 15mm p- 2.0 p- 1.0 p- 0.5 B=1T 13.9% 13.1% 14.5% pions P resolution 15.6% 15.1% 15.3% Emulsion Film em* air em air em 30mm DATA p+ 0.5GeV p+ 1.0 p+ 2.0 Test Experiment at KEK T1 beam line Reference(B=0) Sign determination for n-n separation with thin Air Gap (~1cm) filled with B TOHO Univ. Group * Proton contamination were rejected by dE/dx measurement Charge determination (0.5T) MC >=30mm Gap 20mm Gap 10mm Gap P(GeV/c) Eff. 20mm Eff. 30mm 1 99.93% 99.96% 2 99.95% 99.97% 3 99.94% 99.67% 4 99.90% 99.98% 5 99.83% 99.96% 6 99.58% 99.97% 7 98.98% 99.97% 8 97.97% 99.96% 9 96.78% 99.97% 10 95.32% 99.95% All neutrino flavor tagging detector with Magnetic Field nt/nt/nm/nm/ne/ne Satisfy Heavy mass and Sign determination Pb Calorimeter ECC For P meas. & e-id. Producer： low~Medium Z ECC Space for Sign Det. 26 気球搭載型大口径高 精度γ線望遠鏡 基礎研究 宇宙の暗黒物質 の飛来方向検出 原子核乾板 ニュートリノ研究 CHORUS DONUT OPERA All Flavor Tagging Detector nt/nm/neとその反粒子 乳剤・乾板技術 マイクロラジオグラフィー 高位置分解能放射線検出 X線、放射性物質 Non Standard Interaction ν反応断面積 νBeam Monitor 飛跡読出し技術 応用研究 μ粒子ラジオグラフィー 大型構造物の透視 火山、熔鉱炉など 中性子ラジオグラフィー 核融合炉モニタリングなど Dark Matter detection by Nuclear Emulsion Dark Matter Wind Earth SUN 230km/sec Dark Matter Recoil Atom length~200nm Directional Detection Vrecoil = 2 ( Vsun + VWIMP ) = 100～1000km/sec ＝Dark Matter telescope Easy to realize High mass ~ton Signal Selection signal region fog track Neutron Major( pixel) recoil Red:track Blue:Random fog Minor(pixel) 1pixel=57nm 2D Angle(rad) Large Diameter high resolution γ ray telescope KOBE Univ. Group on Balloon flight (GRAINE) Aiming Flight： ～10m2*35days/year γ Ray Energy ：50MeV～several 100GeV Angular resolution：～ 10 times better than Fermi Polarization detection Totalγ rays：～ Fermi（Stable source） ～ 10×Fermi（Burst source） 2011 June Prototype #1（ 125cm2）Flight＠Hokkaido 2013 October Prototype #2(2500cm2）Flght＠Australia(Plan） 2014～ Larger Size Prototype(1-10m2) Flight test and observations GRAINE：本計画 Fermi 衛星 ~10m2 6畳敷 厚さ~3cm タイムスタンパー Emulsion Shifter 角度分解能 (ビーム試験) EGRET(1991-2000) 31 Fermi-LAT W44 空間構造 の解明 GRAINE(MC) 1-10GeV Spitzer(4.5μm赤外) のデータを真として シミュレーション 32 偏光観測 Microscopic view of a pair creation g Y g 50mm 方位角ω X Cu emulsion 1micron 293mm 0.002Xo TAC base 方位角分布(DATA) emulsion 偏光感度あり(3.5σ で実証) フェルミでは不可能 SPring-8直線偏光ガンマ線ビーム タイムスタンプ部「多段シフター」 2stages 12hours ~sea level ) RMS 1.5s Efficiency 98% Reliability 97% hour )) min. ))) sec. S.Takahashi et al., Nucl. Instr. And Meth. A, 620 (2010) 192-195 少ない物質量、高い位置・角度分解能、大面積化可能 シンプルな構成、コンパクト、軽量、高電圧不要、低消費電力、デッドタイムフリー Volcano World: 1500 Japan:150 減災 Furnaces 温暖化防止 World: 800 Japan:30 寿命診断 Muon Radiography Aged structures 橋（>15ｍ）～14万 内50年経過 ～8000 ダム（国交省管轄）～500 内50年経過 ～50 Resource investigation Investigatio古墳探査 n 35 細いボーリング孔へ設置可能 密度解析 （昭和新山） 昭和新山の 宇宙線写真 1dot=1muon 角度空間映像 減衰量 ＋地形図 →密度変換 密度への変換 気球搭載型大口径高 精度γ線望遠鏡 基礎研究 宇宙の暗黒物質 の飛来方向検出 原子核乾板 ニュートリノ研究 CHORUS DONUT OPERA All Flavor Tagging Detector nt/nm/neとその反粒子 乳剤・乾板技術 マイクロラジオグラフィー 高位置分解能放射線検出 X線、放射性物質 Non Standard Interaction ν反応断面積 νBeam Monitor 飛跡読出し技術 応用研究 μ粒子ラジオグラフィー 大型構造物の透視 火山、熔鉱炉など 中性子ラジオグラフィー 核融合炉モニタリングなど
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