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水チェレンコフ検出器における光センサー

スーパーカミオカンデやハイパーカミオカンデといった大型水チェレンコフ検出器では、ニュートリノ反応や陽子崩壊によって発生する非常に微かな光(チェレンコフ光)を測定するための、高感度で大きな光センサーが必要となります。

スーパーカミオカンデで使われている光センサーは、光電子増倍管と呼ばれるタイプの光センサーです。光電子増倍管の内部では、受けた光が電子へと変換され、その電子は高電圧によって真空中を加速します。その後、電子がダイノードと呼ばれる金属の板にぶつかるたびに、その数はなだれ式に増えていきます。こうして、微弱な光の入射を電気信号として取り出すことができます。

個々の光センサーでは、「いつ」「どれだけ」光を受けたかを測定します。光センサーの性能は、水チェレンコフ検出器全体の観測性能に大きく影響します。たとえば、光を受けた時間の測定精度があがると、ニュートリノ反応や陽子崩壊の発生点をより正確に推定できるようになります。また、バックグラウンドと呼ばれる偽の事象をより区別しやすくなる可能性があります。受けた光の量の測定精度があがると、反応で生成された素粒子のエネルギーをより正確に推定できるようになります。

2種類の新しい光センサーの開発

スーパーカミオカンデで使われている光電子増倍管は、光を受ける光電面の直径が50cmもある、世界最大の光センサーです。その性能や信頼性は20年近くにわたるスーパーカミオカンデの観測によって十分に証明されているため、この光電子増倍管はハイパーカミオカンデ用光センサーの候補となっています。

より性能の良い光センサーを使うことで検出器の観測性能を向上することができれば、目標とする物理に対する感度を上げることができます。そこで我々は、スーパーカミオカンデで使われている光電子増倍管よりも高感度で高性能な新型の光センサーを、ハイパーカミオカンデ用に開発しています。ハイパーカミオカンデでは、スーパーカミオカンデの約1万個よりもはるかに多い、1基あたり4万個光センサーを内水槽で使用するため、新型光センサーは高性能でありがならもコストをより抑えたものである必要があります。

光センサーの構造
ハイパーカミオカンデ用光センサーの候補。左から「従来型光電子増倍管(スーパーカミオカンデで使われているもの)」「新型高感度光電子増倍管」「新型高感度ハイブリッド光検出器」。各右上の写真は、電子を受ける部分をセンサー正面から撮影したものであり、各右下の図は、電子増幅部(ダイノードもしくは半導体)の構造と増幅の様子を表している。[クリックして拡大]

ハイパーカミオカンデ用に開発している光センサーは2種類あります。

1つは「新型大口径高感度光電子増倍管」です。これは、スーパーカミオカンデの光センサーと同様な直径50cmの光電子増倍管ですが、いくつかの大きな改良が加えられています。たとえば、光電面の構造を工夫したり電子を最初に受け止める第一ダイノードの形状を変更したりすることにより、微弱な光を検出する感度がスーパーカミオカンデの光電子増倍管の2倍にまで高められています。また、電子の数を増幅するダイノード構造の改良により、光を受けた時間の測定精度や光量の測定精度も大幅に向上しています。

200トンタンクで実証試験中
新型光センサーの実証試験を行っている200トン水チェレンコフ検出器の内部。高感度光電子増倍管やハイブリッド光検出器のプロトタイプのほか、比較対象となる従来型光電子増倍管(スーパーカミオカンデで使用されているもの)も取り付けられている。[クリックして拡大]

もう1つは「新型大口径高感度ハイブリッド光検出器」です。こちらは、新しいタイプの光センサーで、光を電子に変換してから加速させるガラス真空管の基本構造は光電子増倍管のものと同じですが、電子を受けて増幅させる部分に金属製のダイノードではなくアバランシェダイオードという半導体を使っています。半導体による電子増幅は、ダイノードによる電子増幅と比べて、ずっと高速でかつばらつきが少ないため、光を受けた時間の測定精度や光量の測定精度をさらに上げることができます。また、光電子増倍管と比べてずっと少ない部品数でセンサーを製作することができるため、製造コストを抑えることができると考えています。

現在までに、両センサーともほぼ最終形となるプロトタイプを製作し、基本性能の測定をすすめてきました。今後は、神岡鉱山内に設置されている200トンの水チェレンコフ検出器などを用いて新型光センサーの最終実証試験を行い、要求される性能や安定性を満たしているかの判断を行います。2017年には、ハイパーカミオカンデでどの光センサーを使用するかを決定する予定です。

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