Enhancement of functionalities of the neutral beam line for rare Kaon decay search

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本研究は，中性K中間子の非常に稀な崩壊過程を測定する実験研究(J-PARC KOTO実験)において，中性ビームラインの高機能化を通して背景事象の理解と定量評価を進め，信号発見能力を高めることを目的としている．まず，2021年5月6月期にビームを利用した稀崩壊探索データの蓄積し，夏季よりデータ解析を進めた．一つ目の観点は新たに中性ビーム中に設置した検出器の性能評価である．この検出器は中性ビーム中にわずかに混入する荷電K中間子を検出し，背景事象源となることを防ぐために導入したものである．検出効率の評価により，荷電K中間子に起因する背景事象を1桁以上削減できることを立証した．二つ目の観点は，現行ビームラインの詳細な理解と物理結果に与える影響を検証することである．ビームライン出口付近の低エネルギー中性子や荷電粒子のフラックスを実測検証するとともに，中性K中間子崩壊によって発生する荷電パイオンに起因する熱中性子信号の影響についてシミュレーションによって評価した．一方，ビームライン高機能化においては，第一段階として，ビームライン出口付近のコリメータの改造に向けたコリメータ内蔵型真空ダクトの準備を行なった．KOTO実験では，中性ビーム中に混入する荷電K中間子を排除するために，ビームライン最下流部に新たに磁石を導入して荷電粒子を掃き出す計画をしている．限られたスペース内で実現するため，ビームコリメータ最下流部を永久磁石の間隙に通せるようにしつつビーム整形機能をできる限り保持する必要がある．このために用いられるのがコリメータを内蔵する真空ダクトで，シミュレーションを用いて散乱粒子を最小する最適なコリメータ形状を決定した上で製作した．