高圧液体キセノンを用いた 0ν2β探索の基礎研究宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究 2015領域研究会神戸大学 2015年5月16日東北大RCNS 上島考太内容研究目的研究計画プラスチックシンチレータ容器の開発、試験の状況まとめ (∆T2msec) 212Bi-Po cut Fit toKamLAND-Zen Energy Spectrum for 2νββ Liquid Xe scintillator R) (2012)Phase1 (**) PRL 110, 062502 (2013) 10 5 (a) DS-1 + DS-2 238 U Series Th Series 210 Bi 85 Kr 208 Bi 88 Y 110m Ag External BG Spallation 232 3 4 2 0 spectively,-2 where the uncertainties include the uncertainty in -4 the IB position. The energy spectra of selected candidate events for DS-1 preliminary 2νββ and DS-2 are shown in Fig. 1. The ββ decay rates are 10 103 estimated from a likelihood fit to the binned energy specarXiv:1409.0077 Spallation 210 trum between 0.5 Bi and 4.8 MeV for each data set. The back102 2 10 85 ground rates described above are floated 110m but Ag constrained byBi + 60Co Kr + 88Y + 208 T2ν1/2 > 1.0 ×1022 yr at 90% C.L. their estimated values, as are the detector energy response 10 BG 10 model parameters. As discussed in Ref. [2], film contributions Xe TPC 40K 110m − EXO-200 (2013) Liquid from Ag (β decay, τ = 360 day, Q = 3.01 MeV), 88 Y + scintillator 1 1 τ = 154 (EC decay, day, Q = 3.62 MeV), 208 Bi (EC de238U Series cay, τ = 5.31 × 105 yr, Q = 2.88 MeV), and 60 Co (β − de232Th Series -1 cay, τ =107.61 yr, Q = 2.82 MeV) are considered as potential 10-1 1 2 3 4 1 2 3 4 background sources in the 0νββ region of interest. The inVisible Energy (MeV) Visible Energy (MeV) creased exposure time of this data set allows for improved constraints on the identity the background due to the differT2ν1/2 = 2.32 ± of 0.05(stat) ± 0.08(syst) ×1021 yr 40 ent lifetimes of the considered isotopes. Fig. 2 shows the event (b) 208 Data Bi consistent Phase rate time variation in the with energyKamLAND-Zen range 2.2 < E < 3.0 MeV, 1 35 88 Total Y 110m which exhibits a strong preference for the lifetime of Ag, 110m Ag 30 Total 21 yr if the filtration is assumed have no effect. Allowing ×10 for the T2ν1/2 = 2.30 ±to0.02(stat) ± 0.12(syst) (0νββ U.L.) 110m 136 25 Ag levels between DS-1 and DS-2 to float, the estimated Xe 0νββ 2ν efficiencyconsistent of 110m Ag is with (1 ± 19)%, indicating that the T C.L. = 2.165 ± 0.016(stat) ± 0.059(syst) ×removal 1021 yr (90% 1/2U.L.) EXO-200 20 Xe-LS filtration was not effective in reducing the background. 15 In the fit to extract the 0νββ limit we include all candidate sources in the Xe-LS, considering the possibility of composite 10 contributions and allowing for independent background rates 5 before and after the filtration. 3 Events/0.05MeV Events/0.05MeV 104 Data Total 136 Xe 2νββ Total (0νββ U.L.) 136 Xe 0νββ (90% C.L. U.L.) Xe loaded liquid scintillator KamLAND-Zen (2014) KamLAND-Zen実験 Phase 2 Internal (R < 1.0 m) Residual ( ) DAMA (2002) 純化により銀を1/10以下に低減し、 Events/0.05MeV 世界最高感度での0ν2β探索を継続中!! さらに高感度な0ν2β探索へ向けての基礎研究 (+ 多目的な検出器を開発) の反ニュートリノデータを取得中高感度を実現し、KKクレイムを排除研究目的月頃データ取得再開の予定ー分解能のKamLAND2が必要 KamLAND2-Zen や、 136 KamLAND2-Zen 1000kg Xe ターゲット原子核の周りにエネルギーの付加による不感領域を無くし、極低バックグラウンド環境である KamLAND2 の中心に高圧液体キセノンをセットする。）などプラスチックプラシンシンチレータ中型推す課題」液体液体キセノンキセノンます。 1000kg 液体Xe 直径~100cm 46000 photon/MeV wave length : 175nm 液体キセノンのシンチレーション光をプラシンで 23 可視光に変換し、遠くにあるPMTで読み出す。 +α 液化希ガスとプラシン容器を組み合わせ多目的な(DM,太陽ν)検出器 212Bi-Po cut バックグラウンド (先発信号) BG低減 214Pb! (26.8min) 1023keV %- Data Total 136 Xe 2νββ Total (0νββ U.L.) 136 Xe 0νββ (90% C.L. U.L.) 238 U Series Th Series 210 Bi 85 Kr 208 Bi 88 Y 110m Ag External BG Spallation 232 %- 214Po! 214Pb! (164.3"sec) (26.8min) Ta 210Pb! (22.3yr) X Tag1 (後発信号) 3 214 spectively, where the uncertainties include the uncertainty in Bi mini-balloon中のウラン起源図 3.2 Tag1 による Bi-Po 遅延同時計測概念図。図 3.3 the IB position. The energy spectra of selected candidate events for DS-1 214Po のαがタグできなかったものが原因 3 and DS-2 are shown in Fig. 1. The ββ decay rates are 10 estimated from a likelihood fit to the binned energy specプラスチックシンチレータを液体キセノンの 214 4.8 MeV trum between 0.5: and for each data set. The backTag1 Bi - 214 Po 102 ground rates214 described above are floated but constrained by 214 Bi による 3272 keV の β/γ 線を先発信号、 Po による 7 容器に用いエネルギー付加の不感領域をなくす。 their estimated values, as are the detector energy response 10 る。Tag1 As は 214 Po の半減期が十分に短いために偶発信号が混入 model parameters. discussed in Ref. [2], contributions (純化により低内部BG化は必要) 110m − from Ag 。 (βTag1 decay, τ = 360 day, Q = 3.01 MeV), 88 Y [39] によるタギング効率は、先発・後発信号の重なりによ 1 (EC decay, τ = 154 day, Q = 3.62 MeV), 208 Bi (EC de214 あるが、線がミニバルーンフィルムを透過する確 cay, τ = 5.31 × 105 yr,PoQの出す = 2.88αMeV), and 60 Co (β − decay, τ = 7.61 yr, Q = 2.82 MeV) are considered as potential 10-1 1 2 3 4 background sources in the 0νββ region of interest. ~The 液体キセノンにすれば大幅に減少 0 inVisible Energy (MeV) creased exposure time of this data set allows for improved constraints on the identity of the background due to the differ40 ent lifetimes of the considered isotopes. Fig. 2 shows the event (b) 液体キセノンが高発光量なシンチレータである事を利用し、収集光量 208 Data Bi rate time variation in the energy range 2.2 < E < 3.0 MeV, 35 88 Total Y which( exhibits preference for the lifetime of 110m Ag, 110m を上げる。~46000photon/MeV KL LSa strong ~8000photon/MeV) Ag 30 Total if the filtration is assumed to have no effect. Allowing for the (0νββ U.L.) 110m 136 25 Ag levels between DS-1 and DS-2 to float, the estimated Xe 0νββ removal efficiency of 110m Ag is (1 ± 19)%, indicating that the (90% C.L. U.L.) 20 液体キセノンとプラスチックシンチレータの波形弁別によるBG低減 Xe-LS filtration was not effective in reducing the background. 15 In the fit to extract the 0νββ limit we include all candidate 0ν2βのシグナル確認: 濃縮キセノンと通常のキセノンを入れ替え可能 sources in the Xe-LS, considering the possibility of composite 10 contributions and allowing for independent background rates 5 before and after the filtration. 10 Events/0.05MeV (a) DS-1 + DS-2 3272keV 7687keV $ 1(R) (2012)Phase1 (**) PRL 110, 062502 (2013) 105 214Bi! (19.9min) 4 10C spallation product after muon Events/0.05MeV 2ν2β 136 高圧液体キセノン 3 図 5.8: 臨界点でのセル内部の様子、中が真っ黒なため向かいにキセノン臨界点 ~ 17℃ 射が見えていない。 1℃の高圧液体キセノン ~ 4.5MPa -10℃程度の高圧液体キセノン ~3MPa -50℃, 1MPa 通常の液体キセノン臨界点のキセノン高圧液体キセノン高圧液体キセノンの利点 FIG. 1 Phase diagram of xenon. • 耐圧容器を作れば取り扱いが簡単図 5.9: 低温 (5 ℃) でのセル内部の様子、窓中央部の白線は向か図 5.8: 臨界点でのセル内部の様子、中が真っ黒なため向かいにあるステンレス部分の反 • 断熱真空層が不要が反射して見えている。射が見えていない。 media. The presence of many isotopes in natural Xe, 常温高圧液体キセノンの発光量 NIM.A.594(2008)148 85mm : 5.5MPa 70mm Liq.Xe 16 1 , Counts/s Cell MgF2 : -100 57Co PMT 15cc , 0.18MPa p.e. 122keV γ 7.4kBq ( )/( -100 0.18MPa) 波長変換材 0.1mm TPB 165~179nm Beam splitter Monitor PMT PMT 60 ~70% アクリル＋波長変換剤(TPB) 2 PMT LXe 200mm ノベック 400mm LED TPBを内面に真空蒸着 PMT 40cm 7200 63mm LN2 tank Acrylic Vessel 40*40*40mm アクリル容器アクリル,TPBの内に含まれる214BiがBGとなる。(0ν2β) 表面BGの問題 (DM) 10 0+ 214Po on TPB inner surface F2 Qβ−=63.5 10 5 104 0 ≈ 210 82Pb 102 9 F1 .53 Acrylic 105 22.3 y M1 103 46 c) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 84% 5.5 0– 16% 7.9 1– 4.2 b) 4 counts/bin a) 液体キセノン:210Pb Zoom at low energies 液体アルゴン：214Po,210Po α 103 TPB F1 F3 F2 F3 F2 F1 214Po 102 0 Argon 210 83Bi 10 F3 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Apparent energy [MeV] Astroparticle Physics 62, 178-194 Figure 11: Simulated spectrum of Po alpha decays from (2015) the inner surface of the TPB 214 Figure 10: Sketch of possible paths that lead to light emission for an alpha particle emitted (situation (c) in Fig. 10). in the bulk acrylic (a), on the acrylic surface (b), and on the TPB inner surface (c). プラシン容器はDM探索にも有効 Fig. 11 and Fig. 12. The simulation includes the di↵erent TPB thicknesses on the acrylic windows and sleeve (this is the reason for the double peak structure at F3 in Fig. 12). Features in the spectra are labeled with the 31 46.539 <3 ns F3 5.013 d 研究計画耐高圧プラシン容器の開発(かつ耐薬品性) 高波長変換効率を有するプラシン容器の開発高圧液体キセノンをプラシン容器に導入し、シンチレーション光を可視光に変換して読み出す。 (低温液化希ガスにした場合の多目的検出器の研究開発）プラスチックシンチレータ容器 φ8cm φ2cm プラスチックシンチレータ高圧用プラシンサンプル ○ベース:ポリスチレン, ポリビニルトルエン等 ○波長変換剤: パラタフェニル,POPOP 等 +TPBを添加したものを開発する(3wt%) TPBの添加量, 他の波長変換剤の配合を変え、真空紫外領域に対して高い波長変換効率を目指す。 Styrol（スチロール／英語名：Styrene）と名付けたのが起源とされています。別名としてスチロール、フェニルエチレン、スチロレン、シンナメン、エテニルベンゼン、ビニルベンゼンなどの別名があります。天然物質として自然界に存在し、日常口にする食物の中には微量ですがスチレンモノマーを含んでいるものもあります。（化学式はC6H5-CH=CH2 （略してC8H8と書かれることもありま純化す）一般的には、原油やナフサなどから得られたエチレンとベンゼンを化学反応させてできるエチルベンゼンから、水素を取り除くという製法で造られます。代表的性状を以下に示します。名称：スチレンモノマー(SM) 融点：-30.6℃ 構造式：沸点：145∼146℃ 比重：0.906 化学式：C6H5-CH=CH2 分子量：104.16 引火点：31℃ 自然発火温度：490℃ ○スチレンモノマーに波長変換剤、触媒(カタライザー)、リケイ剤等を入れマントルヒーター等で加熱し、有機反応促進させ、プラシンが作成させる。＊スチレンモノマーについて、詳しく知しりたい方はこちら歴史製造方法利用安全性スチレンモノマーは常温液体で蒸留法等を用いて内部 BGの低減方法を検討していく。 -100℃、液体キセノンでの試験プラシン容器プラシン容器内径φ 4cm ポリスチレンベース ①パラタフェニル,POPOP , TPB 3wt% ②TPB 3wt% 2 PMT 200mm LED ノベック7200 400mm 63mm LN2 tank Acrylic Vessel プラシン容器 40*40*40mm プラシンに-100℃の液体キセノンを入れ、137Csをあてて波形を評価 350 350 300 300 350 350 300 300 250 250 200 200 150 150 100 100 50 50 LXe シンチレーション光測定 250 250 200 200 150 150 100 100 0 400 ①パラタフェニル,POPOP , TPB 3wt% 50 0 400 50 450 500 550 600 650 700 0 400 450 500 350 同じcharge量での波形の違い 350 300 300 プラシン~8ns 200 LXe ~ 33nsec 150 600 Total 500 0.8 550 600 650 50 0 400 303.7 35 450 500 550 600 0 400 420 30 0.7 LXeのシンチレーション光を可視光に 0.6 25 20 0.5 変換してPMTで読み出すのに成功した。 0.4 15 0.3 650 Entries17266 3832 Entries 1 350 Mean 357.440 Mean x x 870.7 Mean 0.7845 Mean y y0.2319 0.9 0.9 300 RMS 303.9 RMS x x 710.3 35 RMS 0.07691 RMS y y0.1348 0.8 250 0.8 440 460 60 0.7 0.7 200 0.6 0.6 150 0.5 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3 480 500 520 540 560 580 600 50 30 4025 100 20 30 50 15 0 400 450 500 550 600 650 10 0.2 0.2 0.2 5 0.1 0 0 0 500 100015002000250030003500400045005000 PSD30 Entries 3832 0.1 0.1 0 400 700 PSD20 PSD10 PSD ratio 1 RMS y 0.1086 700 700 200 50 RMS x 650 250 Mean y 0.5233 ns 600 300 50 354.540 550 PSD ratio: Prompt(20ns)/Total(200ns) 200 Mean x 500 350 Prompt 100 3832 450 700 100 100 0.9 650 0 400 700 250 PSD10 50 650 150 150 1 600 150 Entries 100 450 550 550 200 300 250 0 400 500 250 350 mV 450 700 20 10 450 500 550 600 350 0.9 300 700 PSD20 PSD ratio 1 650 Entries 17266 Mean x 871.8 40 Mean y 0.4435 0.8 250 0.7 200 0.6 0.5 0.4 0.3 RMS x 710.1 RMS y 0.1613 35 30 150 25 100 20 50 0 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 10 5 00 00 00 500 500100015002000250030003500400045005000 100015002000250030003500400045005000 0.1 600 10 0.2 LXe なり 15 LXe あり 5 0 0 0 500 100015002000250030003500400045005000 PSD30 PSD40 PSD40 Entries Entries17266 3832 Entries 17266 低温液体キセノンをの反ニュートリノデータを取得中 KamLAND2に入れる場合は... 高感度を実現し、KKクレイムを排除月頃データ取得再開の予定ー分解能のKamLAND2が必要 KamLAND2-Zen 136Xe KamLAND2-Zen 1000kg や、断熱真空層が必要発光量は増加プラスチックシンチレータ）など中型推す課題」ナイロン６, 蛍光フィルム等 (液体シンチレータ対策) 液体キセノンます。薄いポリエチレンシート(放射熱対策) 断熱真空層 23 PMT 1900本 ~1200W 放射熱 -100℃, 1000kgの液体キセノン ~40W (放射率0.1の場合) ~600W (対策なし) ㈱鈴木商館低温機器部製作日：2015/03/03 低温液体希ガスを用いた検出器鈴木商館温機器部製作日：2015/03/03 ㈱鈴木商館低温機器部製作日：2015/03/03 0ν2β探索,DM探索,太陽ν観測 counts/day/kg/keV に向けた基礎研究 10-1 10-1 凝縮チャンバー内の熱交換器 counts/day/kg/keV Mx;10GeV Mx;100GeV Figure A.3: The expected event rateA.3: as aThe function of nuclear recoil for of nuclear Figure expected event rate as energy a function recoil energy for Xe SI 10 10 SI the spin independent case. The neutralino mass M and σ are assumed to χ 10^-43 cm2 the spin independent case. Theχ−p neutralino mass Mχ Xe and σχ−p 10^-43 are assumed cm2 to 2 −43 2 of Xenon, Argon and be 100 GeV and 10−43 cm . The expected event rates be 100 GeV and 1010 cm . The expected event 10rates of Xenon, Argon and 内部構造（組立未完成時）熱交換器 Germanium are shown by theGermanium black, red and blue lines. Arblack, red and blue lines. are shown by the -2 -3 Ne -5 10 プラシン容器を取り付ける 0 169 9K,6.3W Ne Ar -6 5 10 15 20 25 30 recoil energy (keV) PSD Rate Ne 〇 △ Ar ◎ 〇 169 Xe △ ◎ 凝縮チャンバー -5 10 10 -6 10 -3 10-4 10-4 内部構造（組立未完成時） -2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 recoil energy (keV) RI - Leff 39Ar 0.25 134Xe,136Xe <0.15 0.25 輻射シールドにスーパーインシュレーションを巻いた後 8inch PMT R5912-02 3種類の希ガスを利用できる検出器概要 3層構造プラシン容器 φ4cm→φ20cmに大型化 4-inch Development / First trial 4 inch Metal Bulb PMT Quantum Efficiency Quantum Efficiency [ % ] 35 30 LN2 (遮28.1% 体) at 420 nm U/Th ~2Bq/PMT 30cm離すと50mBq(立体角のみ考慮) 4inch PMT U/Th ~6mBq/PMT 低温では光るおそれ... 25 20 15 高コスト.... 10 5 8inch PMT R5912-02 Gain : 6.3E+06 at 1500 V Idb : 4.6 nA at 1500 V 2inch PMT R6041 TTS 0.75ns まとめ 2年間の公募研究で高圧液体キセノンを用いた0ν2β探索の基礎研究を行う。高波長変換効率、耐高圧プラシン容器の開発高圧液体キセノンをプラシン容器に入れ、波長変換されたシンチレーション光をPMTで読み出す。プラシン容器の低内部バックグラウンド化（純化）