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 ~ 100kg charm nm->nt 1990-2000 CERN WA95 CHORUS ~ 1 ton nm->nt charm 1994-2001 Fermilab E872 DONUT ~ 1 ton nt 2000- CERN CNGS01 OPERA 1250 ton nm->nt
Neutrino Detector (OPERA ECC) 7.5cm 12.5cm 57 Nuclear Emulsion [ Fuji film ] + 56 1mm thick lead n 8.3kg, 10RadiationLength 10cm
OPERA Detector @ GranSasso ECC 150000 Weight 1250 ton ~9 M film n
3 rd 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 Target Tracker hits X B P2<0 negative charge 5.6 σ significance R ~ 85 cm RPC hits ν μ ν τ ν μ ν τ
nt n t A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010 A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010 9
animation n t 2000 mm
ne Eneutrino = 15.6 GeV
Energy distribution 低 BG 期待値 測定値
Non-standard n m n e oscillations P = sin 2 (2q new ) sin 2 (1.27Dm 2 new L(km)/E n (GeV)) OPERA Search for n m n e 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 ~ 写真のデジタル化 2010 年 ~ 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 結晶の SEM 写真 ゼラチ ンを除去した 200nm 従来型原子核乾板 100nm 500nm 70nm 35nm crystal 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 入射角度 N abs N obs 2 N N abs abs 2 N N obs obs 2 2 2 コインシデンス法による BG 除去のため Doublet 以上で使用 系統誤差新開発乳剤 :±2 % OPERA Film:±8 %
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 ~ 写真のデジタル化 2010 年 ~ 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)
Speed in cm 2 /h Developmemt of the read-out speed 10000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.082 SUTS for OPERA 1 72 0.01 0.001 0.003 TS(TTL) NTS(CPLD) UTS(FPGA) SUTS(FPGA) HTS 1983 1994 1998 2006- HTS(GPGPU) 2012 2011-2012 OPERA First νμ ντ events Detection of Tau Neutrino 2010 21
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 原子核乾板 宇宙の暗黒物質の飛来方向検出 CHORUS DONUT OPERA 乳剤 乾板技術 ニュートリノ研究 All Flavor Tagging Detector n t /n m /n e とその反粒子 飛跡読出し技術 Non Standard Interaction ν 反応断面積 νbeam Monitor 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 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
P resolution 15.6% 15.1% 15.3% 13.9% 13.1% 14.5% p+ 0.5GeV p+ 1.0 p+ 2.0 Reference(B=0) p- 2.0 p- 1.0 p- 0.5 Sign determination for n-n separation with thin Air Gap (~1cm) filled with B TOHO Univ. Group Test Experiment at KEK T1 beam line Emulsion Film DATA B=1T Air em* air em air em 30mm 15mm Air Gap 15mm Air 15mm pions * Proton contamination were rejected by de/dx measurement
Charge determination (0.5T) MC >=30mm Gap 10mm Gap 20mm 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 n t /n t /n m /n m /n e /n e Satisfy Heavy mass and Sign determination Pb Calorimeter ECC For P meas. Producer: low~medium Z ECC Space for Sign Det. & e-id. 26
気球搭載型大口径高精度 γ 線望遠鏡 基礎研究 原子核乾板 宇宙の暗黒物質の飛来方向検出 CHORUS DONUT OPERA 乳剤 乾板技術 ニュートリノ研究 All Flavor Tagging Detector n t /n m /n e とその反粒子 飛跡読出し技術 Non Standard Interaction ν 反応断面積 νbeam Monitor 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 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 Dark Matter 230km/sec SUN Recoil Atom length~200nm Directional Detection V recoil = 2 ( V sun + V WIMP ) = 100~1000km/sec =Dark Matter telescope Easy to realize High mass ~ton
Major( pixel) Signal Selection fog track signal region Neutron recoil Red:track Blue:Random fog Minor(pixel) 1pixel=57nm 2D Angle(rad)
Large Diameter high resolution γ ray telescope on Balloon flight (GRAINE) KOBE Univ. Group Aiming Flight: ~10m 2 *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 ~10m 2 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
50mm Cu emulsion 偏光観測 g Microscopic view of a pair creation g Y 方位角 ω X 293mm 0.002Xo TAC base 1micron emulsion 方位角分布 (DATA) 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 Furnaces World: 800 Japan:30 減災 温暖化防止 Muon Radiography 寿命診断 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 n 古墳探査 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 原子核乾板 宇宙の暗黒物質の飛来方向検出 CHORUS DONUT OPERA 乳剤 乾板技術 ニュートリノ研究 All Flavor Tagging Detector n t /n m /n e とその反粒子 飛跡読出し技術 Non Standard Interaction ν 反応断面積 νbeam Monitor 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 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