原子核乾板技術

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