シンチレーターと光検出器を組み合わせても、出てくる信号がすべてミューオンによるものとは限りません。 熱雑音や電気的なノイズも、本物の信号とよく似た形で紛れ込みます。 コインシデンスは、複数の検出層を組み合わせることで、こうしたノイズを取り除き、本当にミューオンが通過したイベントだけを選び出す手法です。
スレッショルド（閾値） #
光検出器からの信号には、ミューオンによる本物の信号だけでなく、常に微弱なノイズも混じっています。 ノイズと信号を区別するための境界値をスレッショルド（閾値）と呼び、信号がこの値を超えたときだけイベントとして記録します。
スレッショルドを高く設定するとノイズは減らせますが、弱い信号まで見逃してしまいます。 低く設定すると感度は上がりますが、ノイズを信号と誤認しやすくなります。 1層の検出だけでは、この感度とノイズ除去のトレードオフを避けられません。
複数層の同時検出 #
コインシデンスでは、2枚以上の検出層を重ねて配置します。 ミューオンはほぼ直進するため、本物のミューオンイベントであれば、すべての層をほぼ同時に通過し、それぞれの層でスレッショルドを超える信号が発生します。
一方、熱雑音や電気的なノイズは各層で独立にランダムなタイミングで発生するため、複数の層が偶然同時に反応する確率は非常に低くなります。 そのため「すべての層が、ごく短い時間窓の中で同時に信号を出したときだけをイベントとして記録する」というルールを設けることで、単独の層では避けられなかったノイズを効果的に除去できます。
なぜノイズが減るのか #
たとえば1層あたりのノイズ発生率が1秒間に100回だとしても、2層が偶然1マイクロ秒以内に同時にノイズを出す確率は、1層だけの場合よりも桁違いに小さくなります。 層の数を増やすほど、偶然の一致が起きる確率はさらに下がり、より高い信頼度でミューオンイベントだけを選別できます。
OSECHIでのコインシデンス測定 #
OSECHIは1台につき、プラスチックシンチレーターを3層積み重ねた構成になっています。 3層すべてがほぼ同時に反応したときだけをミューオンイベントとして記録することで、単体の検出器よりも高い精度でノイズを除去しています。
さらに、複数台のOSECHIを組み合わせれば、離れた場所に設置した検出器どうしで同時に発生したイベントを探すという、単体の検出器では捉えられない測定にも挑戦できます。 これはまだ実現に向けて取り組んでいる段階のテーマで、参加者と一緒に育てていきたい研究対象のひとつです。