The neutron lifetime and the baryon density of the universe are key parameters for Big Bang nucleosynthesis. Recently, the measurement of the cosmic microwave background radiation at the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe has become increasingly sensitive to , which motivates a neutron lifetime measurement with improved accuracy.

Since the first observation of the neutron decay in 1948, various methods for the measurement of the neutron lifetime using nuclear reactors have been developed, resulting in the world average 881.5±1.5 s given by the Particle Data Group. The proposed method in this manuscript employs an accelerator for the first time in all neutron lifetime measurements, making use of the world's most intensive pulsed neutron source at the J-PARC accelerator complex in Tokai, Ibaraki, Japan. In this method, pulsed monochromatic bunch passes through a time projection chamber (TPC), which detects the electron from the neutron decay. The neutron flux can also be measured via the 3He(n,p)3H reaction by mixing a small amount of 3He in the same detector.

A measurement accuracy of a level 0.1% is needed to be competitive with the world average. To achieve this, backgrounds to the neutron decay and the 3He(n,p)3H reaction have to be physically reduced and statistically subtracted. In this work, a low background TPC has been developed, making use of polyether ether ketone (PEEK) as its main component, which contains no radioactive sources; 6Li plates are installed in the inner wall of the TPC to capture scattered neutrons; the TPC is surrounded by 4 shielding to reduce environmental radiation. Consequently, the achievable signal-to-background ratio is estimated to be 1, corresponding to a statistical uncertainty of 0.8% for 150 days of beam time, assuming the current beam power of 220 kW. In parallel, an analysis algorithm has been developed, which subtracts the remaining backgrounds using a data-driven approach while retaining more than 99.9% detection efficiency for the neutron decay and the 3He(n,p) 3H reaction. As a result, all the systematic uncertainties arising from the particle detection are reduced to a level of 0.1%.

本論文は8章よりなる。イントロダクション(第1章)では、中性子寿命測定の歴史と本論文の構成が述べられている。中性子の崩壊(第2章)では中性子の寿命測定の学術的な重要性について述べられている。特に、宇宙のバリオン合成や軽元素の合成に関連して、現在測定されている中性子の寿命とWMAPなどで測られたバリオン密度とは若干の矛盾があり、また中性子寿命の測定方法によって系統的なシフトがある可能性があることを指摘している。第3章は、実験全般に関して記述されており、中性子ビームを用いた新しい実験の外観が述べられている。第4章では実験の詳細なコンピューたシミュレーションに関して述べられており、実験装置内での中性子崩壊及びバックグラウンドの振舞いが記述されている。第5章は、中性子崩壊のシグナルの抽出方法の記述されている。第6章は実際に制作したTPC測定器の制作方法と試験結果が記述されている。第7章は今後検討されるべき系統誤差の縮小について述べられ、第8章は中性子の寿命測定の系統誤差が0(0.1)%に圧縮できるという結論で纏められている。

この研究では、J-PARCの冷中性子のパルスビームをスピンフリップ・チョッパーを通して速度を揃えて、TPC測定器に入射して、その中での崩壊数を数える。中性子のフラックスは、TPC内に数ppm混入した3Heとの3He(n,p)3H反応で生じた荷電粒子を検出することで、中性子の崩壊信号と同時に測定する。このためにユニークなTPC測定器を開発し制作した。放射線源となる物質をTPC自体から排除するために、何種類かの材質から強度や放射能の試験の後にPEEK材を選択し、これでTPC本体を作成した。また、散乱された中性子を排除するためにTPCの内壁には6Liを塗るなどの様々な工夫をしている。TPC内のガスは、4He:CO2=85:15で、drift velocityは10μm/nsと遅いものを選んだ。中性子崩壊信号と3Heとの反応のシグナルは、TPCで測定されるエネルギーで分離される。

測定器の制作だけでなく、中性子崩壊寿命測定の解析方法を確立した。本実験で中性子の寿命は

τn=(Sn/εn)/(Sβ/εβ) ・1/(ρ3He σ。v。)

と測られる。ここで、Sn,Sβは3Heで生じた反応の測定数、中性子崩壊の測定数εn,εβは、それぞれの検出効率、ρ3He、σ。v。は3Heの密度と中性子のフラックスである。CO2と中性子の反応で生ずるγ線や外部からのγ線のバックグラウンドを精密に測定するために、ガス圧を変えて測定を行い、また、フラックスの測定の為の3Heの混入率を変えたり、シャッターで中性子を遮断して外部からのバックグラウンドを測定したりすることによって、系統誤差0(0.1)%で中性子寿命を測定できることを、本論文で証明した。

本論文は、新たな物理量を測定しているものではないが、中性子ビームを用いて中性子寿命を測定するというユニークな実験方法を提案し、実験に用いる全く新しいタイプのTPCの開発、制作、試験を行い、かつ中性子寿命の測定とその解析方法を確立し、今までと異なる方法でO(1)%の系統誤差で中性子寿命が測定できることを証明した一連の研究は、学術的に極めて重要である。

審査員全員十分納得する研究結果であり、論文提出者の物理学の知識も博士(理学)をうけるに十分である。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。