超新星背景ニュートリノ観測へ向けた開発、 C01実験活動状況池田一得（ICRR）関谷、中野、Pablo.F（UAM）、伊藤（東海） D班の皆様 2015年5月15日新学術「地下実験」研究会 1 もくじ • 超新星背景ニュートリノ観測 • ”低バックグラウンド”ガドリニウム導入計画 • 進捗状況 • 今後の予定 2 超新星背景ニュートリノ（SRN）超新星背景ニュートリノ(SRN)は、宇宙が始まって以来、発生した超新星爆発によって放出されたニュートリノ（未発見）。 Neutrinos from past SNe NOW １billion years ago Phys.Rev. D 79, 08013 (2009) 10 billion years ago Beginning of the universe Theoretical flux prediction : 0.3~1.5 /cm2/s (17.3MeV threshold) 3 超新星背景ニュートリノ観測現状陽子による中性子捕獲遅延同時計測 BG削減＋低エネルギー閾値陽電子信号のみ 4 改良点：Gd中性子捕獲γによるBG除去信号事象の例バックグラウンド事象の例 atm. νμ 陽子中性子 decay invisible-μ (Che閾値以下で観測されない) SRN νe 中性子陽子陽電子電子これらの事象は区別が付きにくい 5 改良点：Gd中性子捕獲γによるBG除去信号事象の例バックグラウンド事象の例 atm. νμ 陽子中性子 decay invisible-μ (Che閾値以下で観測されない) SRN νe 中性子 Gd 陽子 γ 陽電子電子 8MeV ΔT ～20μs 発生点50cm以内で2事象が起こる Gdを溶かすことで、SRNν反応起源の中性子をタグし、 BGと区別することが可能。 6 GADZOOKS!計画 Beacom and Vagins PRL93,171101 (2004) (Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super!) • Large cross section for thermal neutron • Neutron captured Gd emits 3-4 g ray in total 8 MeV Capture on gadolinium [%] 100[%] 100 90 80 SK10年観測でのSRN スペクトル 0.2% Gd2(SO4)3 gives 90% neutron capture 80 70 Gd capture eff. 6060 50 4040 30 2020 10 00 00 0 0.002 0.02 0.02 0.2 0.2 Gadolinium sulfate concentration [%] Gadolinium sulfate concentration[%] SRN mode:PRD79,083013(2009) 7 実現に向けての主な課題 • ガドリニウム水の透過率をSKと同等にキープする • ガドリニウムが検出器に与える影響を調べる • SKの水漏れを止める • ガドリニウム中のバックグラウンドを減らす 8 SKにおけるGdの効果を検証する実験：EGADS (Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems) • 水循環システム • EGADS用のシステムは順調に稼働中。 • 水透過率への影響 • 現在目標の0.2％（硫酸Gd）（4月24日～）安定するのを待っている・レーリー散乱測定 • 検出器への影響 • PMTの応答をモニター • Gd中性子タグ方法確認 • Am/Be 中性子線源で確認 9 EGADS（w/ PMTs）で測定された透過率ゼロサプレス硫酸Gd0.1%(目標の半分)溶かした時点でまだSK水の透過率と同等の透過率。 10 現在は0.2％で、安定するのを待っている。実現に向けての主な課題 • ガドリニウム水の透過率をSKと同等にキープする • ガドリニウムが検出器に与える影響を調べる • SKの水漏れを止める • ガドリニウム中のバックグラウンドを減らす低バックグラウンドに関係するトピック 11 SKの水漏れ • 現在、0.2% Gd2(SO4)3 を溶かした場合、SK サイト出口でのGd濃度は約数10ppb (Hgの排水基準：5ppb) 日付斜坑の水を抜いた場合斜坑に水を満たした場合 2003年7-9月 (SK再建前) 7.6 ton/day 2.7 ton/day 2006年7月 (SK再建直後) 3.3 ton/day 2007年4月 3.5 ton/day 2009年7月 2.2 ton/day 2013年8月 0.06 ton/day 2013年10月 2.0 ton/day 2013年11月 0.19 ton/day 2014年5-11月 ~0.20 ton/day 12 シーリング材の候補マリーンシーラントマインガード水族館の水槽にも使われているシール材。坑内の壁に使われている。SNOの水槽壁にも使われていた。 13 ８つのサンプルの放射能を測定by 関谷 #0-4,#6,7 10cmx10cmx10 plates #5 3cmx6cm x 60 plates #0 Marine Sealant GX #1 Poly-urea Paint #2 Poly-urethane Paint #3 Poly-urethane Spray #4 Poly-urethane Spray w/o toner #6 Poly-urethane Spray w/o toner on SUS plate #5 Poly-urea Spray w/o toner #7 FRP (PMT case) 14 ８つのサンプルの放射能を測定by 関谷 #0-4,#6,7 10cmx10cmx10 plates #5 3cmx6cm x 60 plates 920±6 mBq/m2 #0 Marine Sealant GX >1000 mBq/m2 #1 Poly-urea Paint >1000 mBq/m2 #2 Poly-urethane Paint #4 Poly-urethane Spray w/o toner #6 Poly-urethane Spray w/o toner on SUS plate 46.6±1.4 mBq/m2 #3 Poly-urethane Spray #5 Poly-urea Spray w/o toner #7 FRP (PMT case) 15 ８つのサンプルの放射能を測定by 関谷 #0-4,#6,7 10cmx10cmx10 plates #5 3cmx6cm x 60 plates 920±6 mBq/m2 #0 Marine Sealant GX >1000 mBq/m2 #1 Poly-urea Paint >1000 mBq/m2 #2 Poly-urethane Paint 46.6±1.4 mBq/m2 #3 Poly-urethane Spray 4.0±0.5 mBq/m2 1.7±0.2 mBq/m2 #4 Poly-urethane Spray w/o toner #6 Poly-urethane Spray w/o toner on SUS plate 6.3±0.5 mBq/m2 #5 Poly-urea Spray w/o toner 1.1±0.2 mBq/m2 #7 FRP (PMT case) #6をSKに施工した場合＜ PMT１万本ののガラス強度試験、プライマーの選定、施工計画作成等は現在進行中、平行してよりよいシール材模索中 16 低バックグラウンドガドリニウム • 硫酸ガドリニウムの放射性不純物 • なぜ低バックグラウンド？ • C０１での取り組み 17 Gd2(SO4)3の放射性不純物 • スペインのCanfrancで測定。 Chain 238U 232Th 235U Main sub-chain isotope Radioactive concentration (mBq/kg) 238U 50 226Ra 5 228Ra 10 228Th 100 235U 32 227Ac/ 227Th 300 この結果をもとに低エネルギー事象解析への影響を見積もる 18 by Pablo @ マドリード大学超新星背景ニュートリノ予想されるスペクトル • SRN事象 ~5 events/year/FV • prompt signal (e+): 10 - 20 MeV • delayed signal from neutron capture • 主な放射性不純物起源のBG γと中性子が出る 238Uの自発核分裂 • 50 mBq/kg あると • 5·10-7 SF/decay • ：SFs with Eg>10 MeV • 28% of SFs with only 1 neutron ~ 5.5 [ g(Eg>10.5 MeV) + 1n ] / year / FV g,bのaccidental coincidenceもあるけど、無視できる By Pablo @ マドリード大 Uを一桁以上落とす必要 19 太陽ニュートリノ現在のBGレベル~200events/day/[email protected] 不純物からのb,gによるBG Th系列 Th系列 0.01 % 7.4 % U系列（226Ra） 0.5 % • • With solar cuts efficiencies 208Tl: 0.21% ,212Bi: < 2x10-4 % , decay intensities: (100x36%) mBq/kg 208Tl: 212Bi: • => ~3 x 10 5 events/day/ FV By Pablo @ マドリード大 (100x64%) mBq/kg 214Bi: 214Bi: 0.01 % 5 mBq/kg 20 ThとRaを3~４桁落とす必要放射性不純物のインパクト市販のGdのBGレベル市販Gdの238U起源BG (55事象/10yr) 8MeV,6MeV, 4MeV,1987A SKにおける太陽ニュートリノ: 5MeV以下の低エネルギー領域は放射性不純物によるバックラウンド。 238Uの自発核分裂238Uが 50mBq/kg(Gd)を1/100にした場合 21 C01での取り組み • Gd水溶液中のラジウム除去樹脂の評価 • Gdが溶けているのでICP-MS等でRaの定量ができない • 222Rnの湧き出しを測定して226Raの量を見積もる • 純水中の“極低レベル”Rn濃度測定法はSKで確率されている。 D班との協力原理的に、Gd水溶液でも使えるはず（？）だが、未知の領域。 22 カチオン(陽イオン)交換樹脂によるRa除去 • Ra吸着樹脂というのは市販されている • Ex) DOWEX Radium Selective Complexer (RSC) Na型 • RaはGdと同じく陽イオンであるというのが問題で、そのままではGdも取り除かれる Gd Ra • ベースイオンをGｄに交換した樹脂を作成し試験 • 作成した樹脂にGd水を通して、 Gd濃度が変わらないことは確認した。 Gd 樹脂 • Raは本当に取れるのか？ 23 低バックグラウンドGd溶液 R&D Gd化合物溶液 1m3タンク液ラインガスライン D班との共同開発脱気装置 Rn濃縮装置 Rn検出器試験する樹脂気液混合装置ここで測定したい放射性不純物：ラジウム・ラジウム崩壊の娘核であるラドン（希ガス）を測定する。（中野ポスター参照）・Gd溶液と純空気を混合し、純空気に混ざったラドン濃度を測定する。 24 現在の進捗状況@EGADS実験室脱気装置気液混合機試験する樹脂 1㎥タンク純水を使った試験測定・バックラウンド測定が進行中ラドン計 25 脱気装置の試験結果（樹脂試験の下準備）脱気装置（膜脱気）を１パスで通さないときと、通したときの純水中のRn濃度を測定した。試験する樹脂は通していない。 Rn検出器でのRn濃度（脱気無し） Rn検出器でのRn濃度（脱気有り）この結果から見積もった水中Ra濃度：この結果から見積もった水中Ra濃度： 29±2 Bq/m3 608±45 mBq/m3 Rn計に空気を封じ込めてからの経過時間［日］脱気装置1パスで98％のRn除去率を確認した。 26 樹脂からのRn放出測定 Ra吸着評価とは直接関係はないが、樹脂からのRn放出量を測定した。純水を樹脂ありで循環して、樹脂からのRn放出を見るために脱気をバイパス。樹脂あり脱気無し（3日後）樹脂なし脱気無し（5日後）水中Rn濃度 127±6mBq/m3 水中Rn濃度 17±1mBq/m3 Rn計に空気を封じ込めてからの経過時間［日］樹脂からのRnを放出を確認。 27 Ra除去評価手順（案）ガスライン液ライン Gd化合物溶液 1m3タンク D班との共同開発 Gd水脱気装置 Rn濃縮装置試験する樹脂気液混合装置 Rn検出器１．Gd水を樹脂を通しながらタンクに導入する。２．Gd水作成時に混入したRnおよび樹脂からの Rnを除去するために、樹脂をバイパスして循環。３．RaがRnに崩壊するのを待つために、タンクを放置。４．Gd溶液中のラドン濃度を測定する。同様の測定を、１で樹脂を通さないで行い、比較する。 28 Ra除去評価手順（案）ガスライン液ライン Gd化合物溶液 1m3タンク D班との共同開発 Gd水脱気装置 Rn濃縮装置試験する樹脂気液混合装置 Rn検出器１．Gd水を樹脂を通しながらタンクに導入する。２．Gd水作成時に混入したRnおよび樹脂からの Rnを除去するために、樹脂をバイパスして循環。３．RaがRnに崩壊するのを待つために、タンクを放置。４．Gd溶液中のラドン濃度を測定する。同様の測定を、１で樹脂を通さないで行い、比較する。 29 Ra除去評価手順（案）ガスライン液ライン Gd化合物溶液 1m3タンク D班との共同開発 Gd水脱気装置 Rn濃縮装置 RaRn 試験する樹脂気液混合装置 Rn検出器１．Gd水を樹脂を通しながらタンクに導入する。２．Gd水作成時に混入したRnおよび樹脂からの Rnを除去するために、樹脂をバイパスして循環。３．RaがRnに崩壊するのを待つために、タンクを放置（10日）。４．Gd溶液中のラドン濃度を測定する。同様の測定を、１で樹脂を通さないで行い、比較する。 30 Ra除去評価手順（案）ガスライン液ライン Gd化合物溶液 1m3タンク D班との共同開発 Gd水脱気装置 Rn Rn濃縮装置 Rn 試験する樹脂気液混合装置 Rn検出器１．Gd水を樹脂を通しながらタンクに導入する。２．Gd水作成時に混入したRnおよび樹脂からの Rnを除去するために、樹脂をバイパスして循環。３．RaがRnに崩壊するのを待つために、タンクを放置（10日）。４．Gd溶液中のラドン濃度を測定する。同様の測定を、１で樹脂を通さないで行い、比較する。 31 今後の予定 • まずは純水を使ってシステムの理解 • システムからのRn湧き出しの測定 • 樹脂評価の手順の練習 • Gd水溶液のRa測定 • 樹脂あり、なしのときのRa量の測定 • （必要なら）樹脂の改良今年度中に結果を出す予定。そのあと、GｄをSKに導入する（SKの承認後） 32 まとめ • 超新星背景ニュートリノ観測 • 理論予想に迫る結果が出ているが、現在のSKでの測定はBGが多い。 • “低バックグラウンド”ガドリニウム導入 • 低バック化は、SKで低エネルギー事象観測には最重要課題の一つ • 水漏れシール材の低バックも重要！ • まずはRa除去樹脂を評価するセットアップができた。 • 今後どんどん測定していく 33 U chain Th chain 34 Supernova rate problem Horiuchi et al., Ap.J., 738(2011 )154. 35