一致法

素粒子物理学において、コインシデンス法（またはコインシデンス技術）は、粒子検出器が異なる相互作用チャネルを介して特定のイベントの2つ以上の同時測定を記録する実験設計です。検出は、一次粒子を感知することにより、および/または二次反応生成物を検出することにより行うことができます。このような方法は、特定の粒子相互作用に対する実験の感度を高め、問題の粒子が相互作用する自由度を増やすことでバックグラウンド相互作用との混同を減らすために使用されます。コインシデンス法の最初の注目すべき使用は、1924年にボーテ-ガイガーコインシデンス実験によって行われました。^[1]

同時計測できる相互作用や反応生成物の割合が高ければ高いほど、バックグラウンドフラックスからそのようなイベントが発生したことを正当化することが難しくなり、実験の効率が高くなります。例として、Cowan と Reines のニュートリノ実験(1956) では、4 倍同時計測技術を採用した設計が使用されました。^[2]同時計測に依存する粒子検出器は、しばしば q 倍と呼ばれます。ここで、q は、目的の相互作用が発生したことを確認するためにトリガーする必要があるチャネル測定の数です。^[3] 反同時計測器または「拒否」は、宇宙線などの一般的なバックグラウンドが一次検出媒体と相互作用するのを防ぐためによく使用されます。たとえば、このような拒否は、ガンマ線観測所COS-Bで使用されています。同時計測設計に依存する検出器は、ランダムな偶然の同時計測イベントによって制限されます。^[4]

コインシデンス設計は、さまざまな粒子検出器内で信号の信頼性を高め、ランダムなバックグラウンドを減らすために不可欠な技術です。一般的なバックグラウンドには、放射性崩壊生成物（ベータ線、アルファ線、ガンマ線）と宇宙線（陽子、空気シャワー）が含まれます。このようなバックグラウンドは、粒子検出器内でランダムな相互作用を生み出す可能性があり、ターゲット粒子との区別が難しい場合があります。問題の粒子が時間的または空間的に相関する複数のチャネルをトリガーできる場合、その粒子はバックグラウンドトリガーではない可能性が高いと判断できます。「偶然の」コインシデンスイベントが発生する可能性があり、これは調査対象ではないが、偶然に各チャネルと同時に相互作用する粒子によってすべてのチャネルがトリガーされるというものです。^{[4] [5]}この場合、この偶然のイベントの測定値をターゲットイベントの測定値から分離することが困難な場合があります。

コインシデンス設計には、相互に相関する可能性のある粒子相互作用、または時間、空間、および/または相互作用の特性/生成物にわたって問題の相互作用を検出するための 2 つ以上の測定チャネルが含まれている必要があります。q 個のコインシデンス チャネル (q 倍のコインシデンス) を備えた一部の実験設定では、真の相関コインシデンス イベントを測定できる速度は次のように表されます。 ${\textstyle R_{q}}$

${\displaystyle R_{q}=q\tau ^{q-1}\prod _{1}^{q}N_{q}}$

ここで、は各チャンネルのカウントレート、はカウント間の時間です。同時検出器の時間分解能が高いほど、「偶然の」同時発生と真の信号を区別しやすくなります。^[3]${\displaystyle N_{q}}$${\displaystyle \tau}$

同時イベントが測定される速度と、疑わしい信号トリガーがすべて測定される速度との比較によって、検出器の効率が定義されます。^[6]${\displaystyle R_{\rm {偶然}}}$${\displaystyle R_{\rm {疑わしい}}}$${\displaystyle \epsilon }$

${\displaystyle \epsilon ={\frac {R_{\rm {一致}}}{R_{\rm {疑わしい}}}}}$

この場合は、すべてのqチャンネルの同時発生数と検出可能な粒子数の積によって定義されることもできる：^[7]${\displaystyle R_{\rm {偶然}}}$${\displaystyle N}$

${\displaystyle R_{\rm {一致}}=N\prod _{1}^{q}\epsilon _{q}}$

したがって、検出器が信号を一致して確認できる能力は、その効率に正比例します。

粒子物理学実験におけるコインシデンス検出器の使用は、原子核物理学、天体粒子物理学、およびその他の関連分野での同様の方法への扉を開きました。今日稼働中のさまざまな粒子検出器には、何らかの識別可能な形式のコインシデンスまたは反コインシデンス設計が含まれています。

1924年、物理学者のヴァルター・ボーテとハンス・ガイガーは、コインシデンス法を用いてガンマ線とX線のコンプトン散乱を調べた。この現象の量子力学的性質（粒子波動二重性を参照）は、当時はエネルギー保存に関して曖昧であった。 ^[1]ボーテ・ガイガー実験は、このプロセスにおける入射光子と電子間のエネルギー移動をテストした最初の重要なコインシデンス実験であった。この実験では2つのガイガーカウンターが使用された。1つは最初の反跳電子を検出し、もう1つは最初の反跳電子の光子積によって引き起こされる二次電子反跳を同時に検出する。このセットアップには、プロセスを= 1 msまで、0.1 msの精度で測定するコインシデンス回路が含まれていた。 ^[8] 1954年、ボーテはこの研究によりノーベル物理学賞を受賞した。 ^[8]${\displaystyle \tau}$

1956年、ベータ崩壊過程のスピン状態を釣り合わせるためには、スピン1/2のニュートリノが反応（は中性子、 はニュートリノ、 は陽子、 はベータ粒子）の生成物でなければならないことが知られていました。ニュートリノの存在を実証的に証明することでニュートリノの理論的概念を構築しようと、物理学者のクライド・L・コーワンとフレデリック・ラインズは、ニュートリノの放出が予想される原子炉の外で実験を構築しました。コーワンとラインズは、原子炉に近いことでニュートリノの十分なフラックスが得られる一方で、強力なバックグラウンド（中性子、ガンマ線など）も生成されるため、4倍の同時実験を構築することを決定しました。 ${\displaystyle n^{0}\rightarrow \nu +p^{+}+\beta ^{-}}$${\displaystyle n^{0}}$${\displaystyle \nu}$${\displaystyle p^{+}}$${\displaystyle \beta^{-}}$

この実験では、ニュートリノ（この実験では反ニュートリノ）の存在を検出できる複数の相互作用チャネルが利用された。反ニュートリノは塩化カドミウムを添加した水のタンクに入り、水分子の陽子と相互作用する。この反応（、 は陽電子、は反ニュートリノ）により、隣接する 2 つの液体シンチレータ タンクの 1 つと相互作用する位置が解放される。結果として生じる光子は、シンチレータ タンクに設置された光電子増倍管で測定できる。この相互作用が起こっている間、元の反応から生じた中性子は、カドミウムを添加した水の中をランダム ウォークし、最終的にカドミウム原子に吸収される。このプロセスにより、さらにガンマ線が生成され、その後、それが検出される。したがって、システム全体には、同時に記録されたイベントのペアが 2 つ含まれており、その相関関係は、ニュートリノが関与する相互作用の強力な証拠となる。^[9]${\displaystyle p^{+}+\nu _{-}\rightarrow n^{0}+\beta ^{+}}$${\displaystyle \beta^{+}}$${\displaystyle \nu_{-}}$

コインシデンス法の発明は、高エネルギー宇宙線を測定するための新しい技術をもたらした。そのような実験では、 1975年に打ち上げられたCOS-Bが荷電粒子の反コインシデンス拒否装置と、入射するガンマ線によって引き起こされる電子カスケードを測定するための3つのシンチレーション検出器を備えていた。したがって、荷電粒子拒否装置を通過後、ガンマ線相互作用は3倍のコインシデンスで測定できる（反コインシデンスを参照）。^[10]

• AG ^[11]
• アムス^[12]
• チャンドラー
• クレスト^[13]
• キセノン

反コインシデンス法は、コインシデンス法と同様に、背景相互作用をターゲット信号と区別するのに役立ちます。しかし、反コインシデンス設計は、信号粒子を肯定するのではなく、非信号粒子を積極的に拒否するために使用されます。 ^[14]たとえば、反コインシデンスカウンターは、実験が明示的に中性粒子を探しているときに荷電粒子を遮蔽するために使用できます。 ^[15]スーパーカミオカンデニュートリノ実験の場合のように。これらの荷電粒子は多くの場合、宇宙線です。

反同時検出器は、検出器の1つのチャネルをトリガーするが、他のチャネルをトリガーしないイベントをフラグ付けまたは拒否することによって機能します。同時粒子相互作用の所定の割合に対して、 ${\displaystyle R_{\rm {一致}}}$

${\displaystyle R_{\rm {一致}}=R_{\rm {疑わしい}}-R_{\rm {無相関}}}$

ここで、は疑わしいターゲット相互作用の割合であり、は複数のチャネルにわたって検出されたが相関のないすべてのイベントの割合です。^[16]これは、反同時技術を使用して測定されたすべての相関のないイベントを、可能性のある相互作用全体から除去して、それらの肯定的な同時相互作用を取得できることを示しています。どのq-fold設計でも、にはすべての同時イベントとすべての相関のないイベントが含まれます。 ${\displaystyle R_{\rm {疑わしい}}}$${\displaystyle R_{\rm {無相関}}}$${\displaystyle R_{疑わしい}}$

• 粒子検出とイメージングのハンドブック (Grupen、2012)