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素粒子を捉える
ＫＥＫ
幅淳二
まず素粒子製造のための加速器：
衝突型と固定標的型
Ecm  2 Elab mtarget
Ecm  E1  E2
（標的静止、高エネルギー）
（加速されたビームの同士の衝突）
加速器の進歩
s= (p1 +p2)2
N= s x L
実効エネルギー
ルミノシティー（輝度）
CERN
モンブラン
レマン湖
ジュネーブ
周長２７ｋｍ
地下１００ｍ
高エネルギー加速器研究機構（KEK）
素粒子反応を観測するということ
electron
8GeV
positron
3.5 GeV
素粒子反応を観測するということ＃２
?
•素粒子反応そのものは見
えません.
•真空を保持するための
ビームパイプから飛び出す
「反応の生き残り」だけが
観測されます。
素粒子現象を観測するということ＃３
1. 発生した素粒子を「感じる」（検知する）
2. 素粒子の状態を測る
–
–
運動量、速度 E, p, v
電荷 Q
3. 素粒子の種別・質量を mc 2
特定する
1. 素粒子の発生・崩壊を再構成
 E pc
2
2
2
相対論的運動学
E  p c m c
p
v
 c E
  Em 1
2
1 
2
2
2
2
エネルギー E:
従って単位は
運動量 p:
質量 m:
4
MeV
MeV c
MeV c 2
c≡1 にとるのが
素粒子業界の標準
必要なことはこれですべて
素粒子を検知する
素粒子は見えません。
 素粒子はさわれません。
素粒子が残した痕跡を見つける。（電
離・分子の励起）

古典的：霧箱、泡箱、スパークチェンバー
現代：ドリフトチェンバー、シリコン検出器、シ
ンチレータ・・・・・・
素粒子が発する微弱光を捉える。
チェレンコフ検出器、遷移放射検出器
素粒子の痕跡：
電離と励起
霧箱（cloud chamber）
君にも作れる素粒子検出装置
Video Clip
泡箱（bubble chamber）
過熱液体
Spark Chamber
励起と発光：シンチレーション（蛍光）
オーロラ・天空の素粒子（宇宙線）測定器
オーロラを検出装置に
Cherenkov Radiation
チェレンコフ輻射
• Wave front comes out at certain angle
cos c 
• That’s the trivial result!
1
n
E, p, m をどうやって測定するか?
• 運動量は磁場中での円運動の弧の半径で
• エネルギーは全吸収型の検出器（カロリメー
求めることが出来る。
（ローレンツ力）
• タ）で測られる。そこではカスケードシャワーと
粒子の識別（質量の決定）は粒子の速度
電荷を持つ粒子（荷電粒子）
（β=v/c）を測ることでできる。それは time of
いう現象で、粒子が全エネルギーを検出器内
flight, Cherenkov radiation やenergy loss
に解放する。
rateの測定を通じて行われる。
電子や光子に有効
B
初期の素粒子実験
運動量
ベクトル
R∝1/p
軌跡の濃さ＜＞β
現代の観測例
B1
B2
現代の測定器システム一例
Ｂｅｌｌｅ
Belle detector components
Magnetic field generated
Iron flex return
Non-uniformity below 5% inside tracking volume.
Field mapping with 0.3% precision.
Silicon 検出器
シリコン半導体中での電離を利用
150mm
半導体検出器の仕組み
空乏層
－
－
－
－
＋
＋
＋
＋
－
－
－
－
＋
＋
＋
＋
－
－
－
－
＋
＋
＋
＋
Ｐ型半導体
－アクセプタ
正孔
Ｎ型半導体
+ ドナー
電子
逆バイアス
ドリフトチェンバー
(momentum,PID)
• ヘリウムガス中での電離を利用
• 形成されたイオンのドリフトに要する時間を測定
X-T relation (drift time vs
position)
•
•
•
•
•
He(50%)-C2H6(50%)
B=1.5Tesla
HV : 2.3KV
Cell Size:18mm
Maximum Drift Time :
~400nsec
+
+
+
+
+
+
cell
• Wires
– 30mmf Au-W for sense
wire
– 126mmf Al for field wire
• Square cells
– 16mm(r)X~18mm(rf)
– 50 layers in total
粒子の識別
Aerogel Cherenkov and ToF
Cherenkov counter
チェレンコフ放射は
最低速度制限あり
Radiator
v>c/n 媒質中の光速
1
(c: 光速, n: 屈折率)
制限速度はｎを選べば
変えられる
 v    pc  pc
n
c
E
m2c 4  p 2c 2
Cherenkov Light
Charged Particles
Photon sensors
Silica Aerogel Cherenkov
radiator
Colloidal form of SiO2.
r0.1g/cc n=1.006 ~ 1.06
Hydrophobic
Fractal structure
現代に生きる真空管
光電子増倍管
Number of photoelectrons
K中間子
(v<c/n)
電子
(v~c>c/n)
Number of photons
ToF (Time of Flight) 飛行時間測定
• The most direct way to measure the
Particle identification
velocity of particles.
(mc2)2=E2(1-(v/c)2)
velocity=flight length/flight time
ToF counter
Flight length
ガンマ線を捉える
（カロリメータ）無機シンチレータの一例
• Total number of crystals = ８，７３６
• Total weight is ~43ton
• 実は一番の金食い虫
barrel
(6,624)
r=1.25m
Backward endcap
(960)
z~ -1m
e-
e+
Forward endcap
(1,152)
z~+2m
Structure of CsI counter
Preamp. cards
Preamp box
CsI(Tl) crystal
~60x60x300mmL
(16.2 X0)
Mother board
Photodiodes
S2744-08
（1cm x 2cm）
CsI counter
Aluminized
Mylar sheet
余談ながら・・・
ＰＥＴ（Positron Emission
Tomography ）
走査しながらγ線の対をもれなく検出
断層画像を再構成
ガンマ線検出モジュール
検出器は
ほぼ同等
© Siemens AG
KLM (KL and m detector)
14 x 47mmt iron plates
(magnetic flux return)
15 RPC super layers
Inserted
(PID)
μ粒子の見分け方
電気信号が
あった場所
貫通力あり
μ粒子と推定
鉄に吸収
脱落
π中間子か
RPC super layer
India Ink
Signal pickup (x)
Glass plates
8 kV
Signal pickup (y)
India Ink
Spacers
+++
+++++++++++++++
+++++++++++++++
+++++
_________ __ __ __ __ __ __ __ __
The
discharge is
is induced
quenched
when
An avalanche
and
A charged particle passes. 2
all
of
the locallyinto
(A~0.1cm
then develops
a spark. )
available charge is consumed.
The discharged area recharges slowly through the
high-resistivity glass plates.
まとめ
► 素粒子実験の装置は科学技術の粋をあつめて
いる。
► 装置はますます巨大化して、いまや巨大戦艦
なみ。 このままでは恐竜の運命か？
► そろそろひねりの効いたアイディアが欲しい。
募集中！
► 広く他分野への応用も目指す時期にきている
かも。核医学、非破壊検査、暗黒物質探索

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