\abst{
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        {\large 令和6年 修士論文要旨} \\[1mm]
        {\Large J-PARCにおける反$K$中間子束縛原子核の系統的研究に用いる\\
        円筒型ドリフトチェンバーの製作と性能評価} \\[1mm]
        {\large 東北大学大学院理学研究科 物理学専攻，\\
        先端量子ビーム科学研究センター クォーク核物理研究部\\[1mm]
        木村 佑斗} % 名前をここに記載
    \end{center}
    \begin{multicols}{2}
    {\hspace{-3mm}\textbf{1. 研究背景}}

        現宇宙において安定した物質は全てフェルミオンで構成されている。ボソンは物質中ではフェルミオン同士を繋ぐ媒介粒子、すなわち固有の質量を持たず、不確定性関係の範囲内で生成$\cdot$消滅を繰り返す「仮想粒子」として存在する。一方で、真空中においては固有の質量$\cdot$寿命を持つ「実粒子」として存在できる。なぜ自然界においてボソンは物質の構成粒子にならないのか（物質中で実粒子として存在できないのか）、もしもボソンが構成粒子を担う物質があれば、それはどのような未知の性質を持っているのか、これらの問いに現在の物理学は答えることができていない。

        中間子を構成粒子として含む物質の探索は$\pi$中間子や$\eta$中間子について行われてきたが、未だ確証的な実験結果は得られていない。一方で、
        J-PARC E15実験によって反$K$中間子原子核($\bar{K}NN$)が発見された[1]。しかしながらさらに核子数の多い反$K$中間子原子核が存在するのかは明らかになっていない。この状況を打破すべく、我々は反$K$中間子原子核の系統的測定を目的とした実験（J-PARC E80実験）を計画、2027年実施に向けてその準備を進めている。鍵となるのは検出器の大立体角化と中性子検出効率の向上である。このために新たな円筒型検出器群 (Cylindrical Detector System, 以下E80-CDS) を開発している。
        
        E80-CDSは先行研究E15実験装置に対して立体角が約1.6倍、中性子検出能力が約7倍になるように設計することで、E15実験では測定が困難であった中性子を終状態に持つ核子数が増えた反$K$中間子原子核の観測(図\ref{fig:dol}に示す、反$K$中間子と3核子系である$\bar{K}NNN$から$\Lambda pn$への3体崩壊)を可能にしたものである。
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        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=.5\textwidth]{fig/fig_chp_2/dolami2.png}
            \caption{{\small E80-CDSの概念図とE80実験で注目する反応}}
            \label{fig:dol}
        \end{figure}
        
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    {\hspace{-3mm}\textbf{2. 研究目的}}
    
        E80-CDSを構成する主要検出器の1つが円筒型ドリフトチェンバー (Cylindrical Drift Chamber, 以下E80-CDC) である。E80-CDCの役割は生成された反$K$中間子原子核からの崩壊粒子の検出、その飛跡から反応点を決定、崩壊荷電粒子の運動量解析、その情報を使い反$K$中間子原子核の不変質量を再構成することである。我々は今年度完成したE80-CDC実機のコミッショニングを開始した。しかしながら、E80-CDCは先行研究であるE15実験で使用したCDC（以下，E15-CDC）の約3倍の体積がある。したがって、これまで使っていた可燃性の充填ガスAr-C$_2$H$_6$の使用に安全面から指摘が上がった。そこで、E80-CDCではその代替として不燃性のAr-CO$_2$の混合ガスを用いることを検討している。
        
        本論文では、E80-CDCの充填ガスとして使用を検討しているAr-CO$_2$の基本的ガス特性を確認するとともに、これまで使用してきたArC$_2$H$_6$との性能比較を行い、その使用可能性について議論する。

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    {\hspace{-3mm}\textbf{3. 円筒型ドリフトチェンバー(CDC)}}
        
        E15-CDCでは充填ガスとしてAr-C$_2$H$_6$(50:50)を用い、Layer Efficiency、Tracking Efficiency 〜97％、位置分解能〜200$\;\si{\mu m}$という性能が得られていた。そこで、E80-CDCでもE15-CDCと同等の性能、すなわちLayer EfficiencyとTracking Efficiency、位置分解能、それぞれ97％、200$\;\si{\mu m}$をE80-CDCに対する要求性能とした。
        E80-CDC実機を図\ref{fig:3-aa}に示す。
        %\vspace{-3mm}
        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/CDC.png}
            \caption{{\small CDC全体図}}
            \label{fig:3-aa}
        \end{figure}

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        E80-CDCは、外半径530$\;$mm、内半径150$\;$mm、全長2,680$\;$mmである。また、軸方向層のワイヤ長は2570$\;$mmである。これは標的設置位置から全立体角4$\pi$に対して93％の立体角被覆率に相当する。E80-CDCはE15-CDCと同じセル構造でドリフト長9$\;$mmの六角形セルの15層構造となっている。約$\ang{2.7}$傾けた8層のステレオ層は、ビーム軸方向の位置情報を得るために使用される。全1,816本のセンスワイヤーには$\phi 30\;\si{\mu m}$の金メッキタングステンを、全6,428本のフィールドワイヤーには$\phi 80\;\si{\mu m}$のベリリウム銅を使用している。

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    {\hspace{-3mm}\textbf{4. ArCO$_2$の基本特性と混合比の選択}}

        Ar-CO$_2$ガスの混合比に対する増幅率の印加電圧依存性を確認するために、小型テストチェンバーを使った実験を実施した。まず、$^{55}$Fe線源からの$X$線をチェンバーに照射しワイヤーからの生信号を測定し、複数のガス混合比で信号増幅率を求め、各混合比において十分な増幅率($\sim3\times10^4$以上)を得るための印加電圧値を確定させた。
        
        加えて、$\beta$線源である$^{90}$Srをチェンバーに照射し、Amprifier-Shaper-Discriminator回路(ASD)からデータを取得した。そのデータを元に、同じ増幅率のもとで検出効率とMultiplicityを異なるガス比率間で比較し、高い検出効率と低Multiplicity(すなわち低ノイズ)を最も両立しているガス比率を探した。同時に実施したガス増幅シミュレーションで得た結果とを総合的に判断し、E80-CDCで使用するガスとしてAr:CO$_2$=90:10が最適であることを見出した。
        
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    {\hspace{-3mm}\textbf{5. ArC$_2$H$_6$(50:50)とArCO$_2$(90:10)の比較}}

        E15-CDCを用いた宇宙線に対するAr-C$_2$H$_6$ (50:50)とAr-CO$_2$ (90:10)の性能を比較した。ここでは再構成したトラックを元にLayer Efficiency、Tracking Efficiency、位置分解能の比較を行った。
        その結果、ArCO$_2$においては2350V〜2400V(ガス増幅率〜$6\times10^4$)で動作させるとE15-CDCとArC$_2$H$_6$(50:50)で出ていた性能と同等の性能、Layer Efficiency、Tracking Efficiency 〜97％、位置分解能 〜200$\;\si{\mu m}$が得られることを確認した(図\ref{fig:layeff})。
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        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=.6\textwidth]{fig/effres3.png}
            \caption{{\small (上)Layer Efficiency、(下)位置分解能}}
            \label{fig:layeff}
        \end{figure}

        %\vspace{-2mm}

    {\hspace{-3mm}\textbf{6. E80-CDCでトラック検出}}

        2024年6月に完成したE80-CDC実機をJ-PARCの準備棟に設置した。高電圧印加用ケーブルの製作、読み出しのための変換基板等の取り付け及び約1ヶ月間エイジング作業を行なった。ノイズ落としの末、ASDを一部取り付け、宇宙線で最初のデータを取得した。充填ガスとしては上で選択したArCO$_2$(90:10)を用いた。図\ref{fig:e80cdccosm}のように宇宙線のトラックを引くことに成功した。
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        \begin{figure}[H]
            \centering
            \includegraphics[width=.5\textwidth]{fig/e80cdccosm.png}
            \caption{{\small E80-CDCで引けた最初の宇宙線トラック。読み出し回路は上部のみに接続。}}
            \label{fig:e80cdccosm}
        \end{figure}

        \vspace{-4mm}

    {\hspace{-3mm}\textbf{7. まとめと今後の展望}}

        本研究ではJ-PARC E80実験のためのCDCを建設し、充填ガス候補のArCO$_2$が先行実験E15実験のCDCで使われていたArC$_2$H$_6$(50:50)と同等の性能を発揮するのかを検討した。その結果ArCO$_2$(90:10)の場合、ArC$_2$H$_6$(50:50)と同等の性能、Layer Efficiency、Tracking Efficiency 〜97％、位置分解能 〜200$\;\si{\mu m}$が得られることを確認した。加えて、E80-CDCにArCO$_2$(90:10)を充填し宇宙線測定を実施、宇宙線の飛跡の再構成に成功した。
        
        今後、ASDの全数取り付け、本番のセットアップと同様のCNC(3mのプラスチックシンチレータ)をトリガーとした宇宙線における性能確認を実施するとともに、$\bar{K}NNN$束縛状態探索実験、J-PARC E80実験を2027年より実施するための準備を進めていく。

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    {\hspace{-3mm}\textbf{参考文献}}

        \hspace{-4mm}{$[1]$S. Ajimura et al., "$K^−pp$, a K meson nuclear bound state, observed in $^3$He($K, \Lambda p)n$ reactions J-PARC E15 collaboration." Physics Letters B 789 (2019) 620-625}
    \end{multicols}

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}