中性子ベータ崩壊の物理

音野瑛俊（東京大学）
and NOP collaboration
0
Motivation
測定手法によって1%の違い
tn = 878.5±0.7±0.3 sec (UCN Gravity trap
: Serebrov 2008)
tn = 886.3±1.2±3.2 sec (Proton penning trap : Nico 2005)
→ 異なる測定手法での検証が望まれている
ビックバン元素合成での重要な役割
中性子寿命
バリオン密度
HeとHの存在比率
バリオン密度
G.J. Mathews, T. Kajino, T. Shima
PRD71 (2005) 021302
He/H
tn = 878.5±0.7±0.3 sec
tn = 885.7±0.8 sec
1
実験原理
ガス検出器の有感領域
崩壊電子の計数
3He(n,p) 3Hの計数による
フラックス測定
長所
時刻
・検出領域より短い中性子バンチ
→β崩壊とフラックスを同一の信号領域で測定
・4πアクセプタンス
→99.9%以上の信号検出効率
課題
・統計的引き算のできないビーム起因BGの抑制（<0.1%）
信号領域
ビーム軸上の座標
2
イベントの Time of Flight 情報
イベント数
β崩壊（シグナル）
除去不可能なBG
ベータ崩壊と同期して発生するイベントでチョッパー
を入れても残存する．
ハードウェアレベルでベータ崩壊イベントの1/1000ま
で落とす必要がある
0
プロンプト
MLF水銀ターゲットに陽子ビームが衝突する際に発生する
・速中性子
・ガンマ線
などで信号領域の外にあるもの
40ms
TOF
統計処理で除去可能なBG
ビームに起因する・しないにかかわらず．時間的に直流
である
3
セットアップ
J-PARC MLF BL05
真空容器
β崩壊・中性子フラックス測定ガス
検知器（TPC）
鉛遮蔽
宇宙線Vetoカウンタ
4
スピンフリップチョッパーのセットアップ
磁気スーパーミラー３
偏極
フリッパーコイル２
磁気スーパーミラー２
非偏極
磁気スーパーミラー１
低発散
ローパスフィルタ
BL05
フリッパーコイル１
BL04
5
スピンフリップチョッパーの動作原理

SFC の構成
◦ フリッパーでパルスの一部のスピンを反転
◦ ミラーでスピン反転した部分の中性子のみを反射
Neutron
Source
20m
TPC
◦ フリッパーとミラーを増やし、コントラスト（B/A）を向上
◦ 前回ビームテスト時はフリッパー、ミラーともに１つで、B/A〜6
40cm
Flipper On
Flipper Off
A
B
6
現在のパフォーマンス

SFC のセットアップ
◦ フリッパー 2個
◦ ミラー
3個
→ Contrast > 400 を達成
7
ビーム起因BGと中性子吸収
ほとんど全ての元素は吸収と
同時に即発ガンマ線（数MeV）を
複数出して基底状態に落ちる
中性子
8Li(840msec)、20F(11.2sec)、
28Al(2.24min)、、、
励起
放射性同位体
崩壊
6Liはγ線を伴わず
CO2など
崩壊するため
遮蔽として
用いられる
安定核子
ガスの構成元素が
吸収すると、即発γ線の
反跳(~1keV)を受けて
イオン化を起こす
8
ビーム起因BGの種類
2．上流ビームライン
2．上流ビームライン
ターゲットから16m地点まである遮蔽
ターゲットから16m地点まである
の内部で発生するガンマ線（TOFを
ビームラインの内部で発生するガン
反映）
マ線（TOFを反映）
BL05
3.
3.SFC前段ミラー
SFC前段ミラー
SFCの1・２段目のミラーに中性子が
SFCの1・２段目のミラーに中性子
当たるときにガンマ線を発生する
が当たるときにガンマ線を発生する
（TOFを反映）
（TOFを反映）
4. SFC最終段ミラー
チョップが効いているのでパ
ルス化されたガンマ線を発生
する
１．プロンプト
検出器の20m上流にある
破砕ターゲットから発生する
速中性子およびガンマ線
（t=0に集中して発生）
6.
6.飛行中に散乱した中
飛行中に散乱した中
性子に起因するバックグ
性子に起因するバック
ラウンド
グラウンド
5.検出器中の散乱中
検出器中の散乱
5.
中性子に起因する
性子に起因するバック
バックグラウンド
グラウンド
7.他のビームライン起因の
他のビームライン起因の
7.
バックグラウンド
バックグラウンド
BL04
9
SFCやビームラインからのBGの測定
偏極
非偏極
低発散
+ neutron  α + 3H
吸収長は500um程度
6Li
BL05
BL04
10
SFCやビームラインからのBG
SFC
TPC
初段、２段目のミラー
11.0Hzの増加
11
SFCやビームラインからのBG
SFCの周りに鉛を積むことで
即発ガンマ線を遮蔽する
簡単な遮蔽での線量の減少は2桁
中性子崩壊タイミングで S/Nが
1/1000 の遮蔽を設計完了
12
最終ミラーの透過波からのBG

透過波は入射波の“ダウンスピン成分”と“アップスピン成分の一部”から成る。

今回の実験では透過波が構造物に当てたため、γ線BGの原因となった。
透過波
反射波
13
最終ミラーの透過波からのBG
3.7Hzの増加
14
TPC内での散乱によるBG
(n,γ)
検出器内部で散乱した中性子の捕獲によるγ線BGの原因になる
→(n,γ)反応を起こさない物質による散乱中性子の吸収が必要
en
採用している素材：LiF/PTFE 30:70の板 (100%を被覆する必要)
→LiF/PTFE板を組み込んだTPC構造を試作している
γ
15
BGのSummary
BGのSource
中性子吸収
によるBG
環境BG
全時間での中性子崩壊
タイミングでのS/N
計数率
[Hz]
必要とな
るS/N
SFC
7.2
1/30
1000
Beamline
3.8
1
1000
鉛、SUS
3.7
1/10
1000
TPCガスでの散
乱
<1
1
1000
放射化
<1
G10
12
宇宙線
<1
40K
~1
時間的に一定のため
引き算が可能
16
Summary

TPCを用いて中性子フラックスと崩壊電子を同時測定し0.1%の寿命決定を目指す

SFCを用いてビームを整形し、Fiducial Volumeを決める

シグナルの検出効率は99.9%のため、BGの抑制が必須

統計処理で除去可能なBGについてはS/N<1以下を目指す（<0.4Hz）

統計処理で除去不可能なBGについては1/1000を目指し設計中

３月までのビームタイムでの物理runを目標としている
17
CH4のrecoil

CH4を1.5kPa混ぜて測定
12C+n13
C+γ
1H+nd+
σabsorb
(barn)
Eγ
(MeV)
M
(GeV)
E2/2M
(keV)
0.0035
4.95
12.1
1.01
0.3326
2.22
1.88
1.32
γ
18
65Ni
8Li
840msec
12B
20.2mse
c
28Al
2.52hour
97Zr
95Zr
16.7hour
64.0day
2.24min
20F
11.2sec
55Cr
3.50min
51Cr
31Si
2.62hour
27.7day
59Fe
44.5day
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TPCの応答
TPCに落とすエネルギー
β崩壊で生成する電子のエネルギー
TPC : 20cm x 20cm x 80cm
ΔE=17%@5.9keV
89%：TPCを抜ける
7%：TPC内で止まる
4%：反跳しTPCに戻る
[keV]
[keV]
4.9keV：99.9%のβ崩壊を捕らえるための閾値
吸収起因のバックグラウンド〜 β崩壊
←
散乱起因のバックグラウンド〜 β崩壊ｘ0.3 ←
TPCに落とすエネルギーでカット
99.7%の散乱中性子を6Liで吸収させる
20
中性子の吸収と即発ガンマ線
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