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OrthoPositronium3γ崩壊における
寿命測定
京都教育大学自然科学コース中間発表会
2007.12.5.Wed
京都教育大学総合科学課程自然科学コース
物質科学専攻 素粒子物理学研究室
有田 義宣
Contents
1.o-Psの寿命問題
2.測定方法と装置
3.NaI検出器のenergy calibration
4.Aerogel挿入前後のエネルギー比較
5.今後の予定
2007年度 京都教育大学自然科学コース中間発表会
o-Psの寿命問題
背景
ポジトロニウム(Ps)は電子(electron)
と陽電子(positron)からなる原子。
o-Psの寿命は1978年のミシガン大の
実験をはじめ、数々の実験で理論値よ
りも小さい値が得られている。
Psは電磁相互作用のみによって束
縛されているのでQED(量子電磁力
学)によって記述される。
これは「オルソポジトロニウムの寿命
問題」とよばれている。
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o-Psの寿命問題
目的
1.o-Psの寿命を計測し、理論値と比較
する。
2.とくに、エアロジェルを真空状態に近
い状況においたときの寿命値をとり、真
空の場合への補正を行う。
Ps (positronium)
p-Ps(パラポジトロニウム)⇒2γ崩壊
Eγ = 511 [keV] (back-to-back)
O-Ps(オルソポジトロニウム)⇒3γ崩壊
Eγ < 511 [keV]
※運動量保存の法則をみたす方向
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測定方法と装置
方法
Psは確率的に崩壊を起こす。したがってPsの寿命は、Ps生成から「どのく
らいの時間で、どのくらいの数の崩壊が起こったか」を測定することで求め
ることができる。
寿命をτとすると、崩壊数Nは
t

N  N0 exp(  )

log N   t  log N0


観測によって得られるlogNの値と時間t
の関係にfittingすることでτを求める。
崩壊数計測
⇒NaI検出器によるo-Ps崩壊時のγ線
カウント
時間計測
⇒CAMAC規格
TDC(TimeDigitalConvertor)による
start-endの時間計測
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測定方法と装置
Back ground (どのようにしてo-Psのγのみを選別するか)
1.e-とe+の対消滅によるγ
2.p-Psの崩壊による2γ
3.o-Psのe+が束縛状態にないe-と対消滅す
る(pick-off)
4.スピン交換反応(spin-flip)でo-Psがp-Psに
変換され、その後対消滅
5.化学反応(酸化反応ならば、e+が残される)
解決策
1.γ線カウントのタイミングとエネルギーにより選別
2.Psの存在範囲での空気分子との相互作用を減らす
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測定方法と装置
Psは陽電子e+を物質に照射し、その電子を
奪うことで生成する。このためにエアロジェ
ル(Aerogel)という物質を媒質として使う。
また、Psの崩壊γ線はNaI検出器を用いて
検出する。
NaI検出器(NaI結晶+PM)
エアロジェル(SiO2) 0.19[g/cm3]
O-Psの生成-崩壊過程
プラスチックシンチレーションカウンタ
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測定方法と装置
Set up
22Na
(陽電子源)
半減期2.6年
放射強度 約1.4 [kBq]
e+ (90%) ~545[keV],
EC (10%),γ 1274.6[keV]
NIM (Nuclear Instrument
Module )
CAMAC (Computer Automated
Measurement and Control )
放射線測定モジュール標準規格 。
モジュールの端子同士をケーブ
ルでつなぐだけで、信号処理.が
できるように規格化されている。
コンピュータによるデータ収集・制御を目的と
して規格化されたI/Oバス。
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測定方法と装置
Logic
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測定方法と装置
DAQ(Data AcQuation) program
計算機からCAMACのクレートコ
ントローラに対して、命令をする。
PC側からモジュールに呼びかけ、
データを採るためのプログラムが
必要なので、C言語を用いて書い
た。
○特徴
引数回だけデータを採る
TDCにSTART信号が入ってきて
から、200[usec]で自動的にLAM
をクリーンアップする
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NaI検出器のenergy calibration
NaI検出器から送られたアナ
ログ信号は、ADC(Analog
Digital Convertor)回路によっ
てピークに比例したデジタル
信号へと変換される。
ADCは12bitデータを転送す
るので、最高で4096[ch]であ
る。
⇒エネルギーとADCの
channelの対応を調べる必要
がある。
↑ 22Na
10,000,000EVENT
60Co
1,000,000EVENT
→
NaI検出器(PM)の
印加電圧 1100[V]
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↑ 137Cs
10,000,000EVENT
NaI検出器のenergy calibration
オフセット(0[ch]と0[eV]のずれ)
-197.567
Energy / channel
1.34781
範囲
Channel > 146.5837
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Aerogel挿入前後のエネルギー比較
NaI検出器で22Naを
線源として、エネル
ギースペクトルをと
る。
片方はそのままで、
片方はエアロジェル
を挟んだ状態でとる
ことで、Ps生成の頻
度の目安をつける。
1,000,000EVENT
データを採った。
↑ エアロジェルなし
↑ エアロジェルあり
・回路の改善
・backgroundのカッ
トが必要
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今後の予定
○本実験(o-Psの寿命測定)
→ロジックとプログラムの調整を行ない、測定・解析を行う
→プラスチックシンチレーションカウンタによるe+の消滅を少なくする
ために、薄いプラスチックを探すかブラックシートを除く
○条件を変えて測定
→真空箱を製作し、測定する
→γ線検出器の数を増やし、論理的にノイズをカットする
○解析方法
→ROOTでの解析が行えるように、Ntuple形式での
データ保存をプログラムに組み込む
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Set up
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PM(Photo Malti Plyer)
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