The Silicon Tracking System of the E16 experiment at J-PARC: construction, installation and commissioning in beam test experiments

超高速のレースが行われており、科学者たちが「幽霊」の姿を一瞬でも捉えようと奮闘している様子を想像してみてください。素粒子物理学の世界において、この「幽霊」とは、原子核衝突という極限状態の中で粒子が密集した際に、その振る舞いが変化することを指します。日本のJ-PARC施設で行われているE16実験は、これら幽霊を捕まえるために設計されたレーシングカーです。

この目的を達成するために、科学者たちは新しい「目」となる**シリコン・トラッキング・システム（STS）**を必要としました。この論文は、どのようにしてこれらの新しい「目」を構築し、テストし、設置したか、そしてそれらが求めるものを見通すのに十分な鋭さを持っていることを証明したかという物語を伝えています。

以下に、E16-STSの物語を分かりやすく分割して解説します。

1. ミッション：見えないものを捉える

この実験では、強力な陽子ビーム（小さな高速の弾丸のようなもの）を炭素や銅のターゲットに向けて発射します。陽子がターゲットに衝突すると、粒子のシャワーが発生します。科学者たちは、特定の種類の粒子崩壊から生じる「ダイエレクトロン（電子のペア）」を特別に探しています。

課題：
ビームは非常に高速で混雑しており、1秒間に1つの地点を1,000万台の車が通過する高速道路のような状態です。以前の実験で使用されていた古いカメラ（検出器）は、動作が遅すぎ、かつ嵩張りすぎていました。そのため、混乱が生じてアクションを見逃してしまうことがありました。科学者たちは、以下の条件を満たすカメラを必要としていました。

• 軽量であること： 視界を遮らないため。
• 高速であること： 1秒間に数百万台の車が通過しても、写真を撮れるようにするため。
• 高精細であること： 人間の髪の毛の幅ほどの精度で、車がどこにいるかを正確に見極められるようにするため。

2. 解決策：実績のある設計の活用

ゼロから新しいカメラを発明する代わりに、チームはドイツで行われているCBM（Compressed Baryonic Matter）という別の巨大な実験のために構築されている設計を採用することにしました。これは、レーシングカーのチームが、新しいエンジンをゼロから作るのではなく、兄弟チームの定評ある高性能エンジンを使うことに決めるようなものです。

彼らは、このCBM技術を用いて15個のモジュール（カメラのレンズ）を製作しました。各モジュールは、シリコンセンサー（フィルム）と、信号を即座に読み取ることができるカスタム電子回路（プロセッサー）を組み合わせたサンドイッチ構造になっています。

3. 「レンズ」の組み立てとテスト

これらのモジュールがレーシングカーに搭載される前に、新しい車がサーキットに出る前の安全テストのように、厳格な検査を通過しなければなりませんでした。

• 組み立て： チームはドイツの研究所でモジュールの組み立てを行いました。非常に細いフレキシブルケーブルを使用して、小さなシリコン・ストリップを電子チップに接続しました（高精細スクリーンをコンピュータに接続するような作業です）。
• 「IV」テスト： センサーを通じてどれだけの電気が漏れているかを確認しました。これはタイヤの微かな空気漏れをチェックするようなものです。もし漏れが大きすぎれば、センサーは機能しません。結果、センサーはある一定のポイントまで完璧に圧力を保持していることが分かりました。
• 「ノイズ」チェック： すべての電子機器には背景にある「ハム音（静電気）」が存在します。チームはこの「ノイズ」を測定し、微かな粒子の信号を聞き取るのに十分静かであることを確認しました。ノイズは非常に低く、センサーが非常にクリアに機能することが判明しました。
• 放射能のフラッシュライト： センサーが実際に粒子を「見ることができるか」をテストするため、放射性線源（安全に制御されたベータ線放出体）をモジュールに向けて照射しました。これは、暗い部屋で懐中電灯を照らし、カメラのセンサーが光を捉えるかどうかを確認するようなものです。センサーは正常に光を検出し、それが当たった場所を正確に特定しました。

4. トラックテスト：ビーム実験

モジュールがラボでのテストに合格した後、日本へ送られ、E16検出器に設置されました。2023年末、電子の実際のビームを用いて、システム全体のテストが行われました。

セットアップ：
電子（レーシングカー）のビームが射出されるトンネルを想像してください。新しいシリコン検出器は、4つのプラスチック「シンチレータ」（タイミングゲートとして機能するもの）の間に挟まれた中央に配置されました。

• シンチレータはレフェリーの役割を果たします。「車が通過した！」と宣言します。
• シリコン検出器はフォトグラファーの役割を果たします。レフェリーが笛を吹いた瞬間に、車が正確にどこにいたのか、写真を撮ろうとします。

結果：

• 速度（時間分解能）： 検出器は、粒子が通過したタイミングを3.2ナノ秒という驚異的な精度で特定できました。これは、音波が砂粒の長さ分だけ進むのにかかる時間です。これは、1秒間に1,000万回のヒットが発生する状況にも対応できる速さです。
• 鋭さ（位置分解能）： 検出器は、粒子の位置を約42〜70マイクロメートルの範囲で特定できました。これを可視化すると、もしシリコンセンサーがサッカー場の大きさだとしたら、粒子が着地した特定の芝の一本一本を識別できるほどの精度です。
• 鮮明度（信号対雑音比）： ビームが斜めの角度でセンサーに当たっても、画像は鮮明なままでした。信号は背景ノイズの約28倍の強さがあり、鮮明な画像を保証しました。

5. 厄介な問題：カメラの同期

一つの大きな障害がありました。新しいシリコンカメラは、セキュリティカメラが録画を止めないように連続的に撮影するように設計されています（これを「フリー・ストリーミング」と呼びます）。しかし、E16実験の他の部分は、特定のイベントが発生したときのみデータを記録する「トリガー」方式を採用しています。

もし単にシリコンカメラをオンにしたままにすると、膨大なデータ（1日あたり約300テラバイト！）が生成され、コンピュータがクラッシュしてしまいます。これは、泥棒が入ってきたわずか5秒間の映像だけが欲しいのに、24時間の防犯ビデオの全フレームを保存しようとするようなものです。

解決策：
チームはスマートなフィルターを構築しました。シリコンカメラの内部クロックを、メインの実験のクロックと同期させたのです。これにより、シリコンカメラは連続的に撮影を行いますが、コンピュータは「レフェリー（他の検出器）」がイベントの発生を告げた瞬間の写真のみを保存するようになりました。これにより、重要な情報を失うことなく、データ量を管理可能なサイズに削減することに成功しました。

まとめ

この論文は、新しいシリコン・トラッキング・システムが大きなレースへの準備ができていることを証明しています。

• 組み立てとテストに成功しました。
• 高速なビームを扱うのに十分な速度を備えています。
• 粒子衝突の微細なディテールを見通すのに十分な鋭さを持っています。
• 実験の他のコンピュータ・システムと正常に接続できます。

E16実験は今、極限の圧力下で物質がどのように振る舞うかを研究するための強力な新しいツールを手にしました。これにより、私たちは宇宙の根本的な構成要素を理解するための道のりに、また一歩近づきました。