中性子検出について新学術「地下素核研究」第３回B02班若手ミニ研究会２０１５年５月１７日東北大学ニュートリノ科学研究センター清水格中性子の生成中性子の発見 1932 チャドウィックが電離箱を用いて検出 (α, n)反応で生成された中性子 9Be(α, n)12C パラフィン中の陽子と弾性散乱 • α-Be線源 α線をベリリウムに照射 9Be(α, n)12C • 光中性子源 γ線を重水素に照射 2H(γ, n)1H • 自発核分裂小分岐比での核分裂 252Cf線源 • 原子炉高強度の中性子源連鎖的に核分裂放射性同位体の生成に利用電流の増加 • 原子核反応核融合反応（D-T） 3H(d, n)4He 原子核破砕反応 X(p, n)Y 主に重元素 Lecture 34 MP501 Kissick 2014 https://www.medphysics.wisc.edu 環境中でも天然の放射線（宇宙線、ウラン、トリウムなど）によって自然に生成される中性子と物質の相互作用電気的に中性である中性子は核力のみによって物質と相互作用をする • 弾性散乱中性子 X(n, n)X 中性子始状態と終状態の粒子種が同じ反跳原子核の運動エネルギー標的核 TX 4Mn MX 2 = Tn cos ✓ 標的が陽子のとき最大 2 (Mn + MX ) 水素原子を多く含む物質は中性子を減速しやすい • 非弾性散乱中性子 X(n, n)X* 中性子運動エネルギーの合計が変化標的核励起状態からγ線などが放出される励起状態 • 原子核反応終状態の原子核のエネルギーが変化 γ線陽子, α, … X(n, p), X(n, α), X(n, 2n), X(n, 2α), 核分裂, … 反応によって不安定核が作られる中性子標的核熱中性子の場合はX(n, γ)などで原子核に捕獲される反応の起こりやすさは中性子のエネルギーに依存中性子の反応断面積 JENDL核データライブラリ "Japanese Evaluated Nuclear Data Library Version 3 Revision-3: 水素 JENDL-3.3," J. Nucl. Sci. Technol. 39, 1125 (2002). 炭素弾性散乱弾性散乱非弾性散乱中性子捕獲中性子捕獲熱中性子高速中性子熱中性子高速中性子原子核反応によって作られた中性子のエネルギー ∼ MeV 物質中で弾性散乱によってエネルギーが失われていき、最後は中性子捕獲を起こす熱中性子化 < μs 平均捕獲時間 10-100μs 高エネルギー（> 数MeV）では非弾性散乱を起こしやすくなる中性子捕獲断面積 LBNL熱中性子捕獲データベース http://ie.lbl.gov/ngdata/sig.htm S.F Mughabghab, M. Divadeenam and N.E. Holden, Academic Press (1981) 1H 0.33 barn 熱中性子平均エネルギー 0.025 eV (2200 m/sec) に対する捕獲断面積 3He 5333 barn 6Li 940 barn 天然存在比捕獲断面積が大きい 10B 高速中性子の遮 3837 barn のコツ水素原子を多く含む物質で中性子を熱中性子化リチウム・ホウ素などを含む物質で中性子を捕獲熱中性子の検出方法熱中性子に対して大きな断面積を持つ原子核反応を利用 10 7 B + n ! Li + ↵ 7 6 3 233 U, 235 U, 239 発熱反応 ⇤ Li + ↵ Li + n ! 3 H + ↵ 3 He + n ! H + p Pu + n ! (fission) 核分裂片 MeV程度の荷電粒子を放出例）3He比例計数管荷電粒子（3H, p）のエネルギー：0.764 MeV 3Heガスの比例計数管でエネルギーを測定減速材と組み合わせることで高速中性子も検出可能高速中性子の検出方法エネルギー情報が不要であれば減速材で減速 → 熱中性子の検出中性子のエネルギー測定 • 高速中性子による反跳陽子の測定検出器ポリエチレンラジエータ中性子 θ 弾性散乱断面積の不定性は小さい反跳陽子 • 飛行時間法（TOF法）イオンビーム運動エネルギー中性子生成標的中性子距離 L ２次粒子の影響の評価は困難検出器 ✓ ◆2 1 L E n = Mn 2 T シンプルで精度が高い中性子の発生時間の情報が必要 • 高速中性子による放射化反応しきい値を持つ放射化反応 32S(n, 核分裂反応、原子核破砕反応核分裂片などが作る信号を測定 p)32P, 27Al(n, α)24Naなどで生成された核種の崩壊を測定主な中性子検出器の分類放射線計測基礎論, KEK 佐々木慎一, 液体シンチレータによる測定発光波形による n-γ識別反跳陽子の発光を検出中性子線源 PMT AmBe 液体シンチレータ波形弁別 (PSD) 高速中性子による反跳陽子の発光波形 Q (Delayed GATE) γ線の発光波形 BC501A (Bicron) 中性子 γ線陽子による電離 → 高密度 (dE/dX大) 長時定数（３重項状態に由来）の発光が増える Q (Total GATE) arXiv:0311022 地下での中性子フラックスヨーロッパの地下実験 arXiv:0503054 106 cm2s1 神岡地下実験南野さん修士論文 (2004) 原子核反応による中性子生成岩盤のウラン・トリウムに起因する生成 - 自発核分裂 238U 5.45 105% 210Po g.s. 5.3 MeV α 3rd 4th 大きい - (γ, n)反応断面積データを基に計算 - (α, n)反応断面積データを基に計算大きい 1st 2nd 13C(α, n)16O cross section reference JENDL α線源 : ウラン・トリウム娘核 (4∼9 MeV) 標的核 : 岩盤中の原子核例) 液体シンチレータ中で起こる(α, n)反応 natural abundance 1.1% 6.130MeV 6.049MeV dE/dX 30+ Q = 2.2MeV prompt 13C(α, n)16O γ (6.1MeV) 炭素標的 16O or e+e-(6.0MeV) 13C α 0+ recoil proton 16O p delayed n n γ (2.22MeV) 12C prompt d γ (4.4MeV) 12C(n, nγ)12C n spectrum < 10 MeVの中性子が作られる地下実験環境ではミューオン起源の中性子フラックスよりも２３桁大きい寄与となる中性子エネルギースペクトル原子核反応による中性子生成：岩の組成を基にした計算 Vitaly. A. Kudryavtsev, LNGS, 2010 中性子発生レート・スペクトルは岩の種類に強く依存含水量によって岩の表面での中性子フラックスは変化（季節変動）ミューオンによる中性子生成 - ミューオンの仮想光子を媒介とした原子核破砕（muon spallation） - ミューオンの電磁シャワーのγ線を原子核が吸収（photo-absorption） Neutron Production by Muon Spallation I: Theory, T. Luu, C. Hagmann (2006) - その他：二次生成された粒子(p, n, π , α, e , γ)による反応電磁シャワーハドロンシャワーミューオン起源の中性子エネルギーシミュレーションによって中性子のフラックス・エネルギーを計算できる生成割合 v.s. ミューオンエネルギー中性子エネルギー実験データ M. Horn, http:// bibliothek.fzk.de/zb/berichte/FZKA7391.pdf photo-absorptionの寄与が大きい地下実験環境ではGeV 付近までの中性子が生成シールド内部の検出器まで侵入しやすい!! 物質による中性子生成率の違い中性子生成率 v.s. 質量数中性子生成率 v.s. 質量数モデルによる違い各プロセスの寄与 Vitaly. A. Kudryavtsev, LNGS, 2010 FLUKA, Geant4の傾向は一致質量数が大きいほど中性子生成率が増える Geant4 : 物理モデルロードする順番 hadron HP (neutron) (NeutronHP) (QGS_BIC) QGS (quark-gluon string) BIC (binary cascade) LEP muon Muon-nuclear (G4EmExtraPhysics) gamma Photo-nuclear Gamma-Reaction 1 MeV 10 MeV 100 MeV 1GeV 10GeV 100GeV 後でロードした断面積が優先される 1TeV シミュレーションツール MUSIC - ミューオンに特化したシミュレーション - ミューオンが物質を通過した後の存在確率とエネルギーを計算 FLUKA - 物質中の粒子の飛跡をシミュレーション - 中性子線量計算において実績、ミューオン原子核破砕のモデル化 - プログラム言語 Fortranを用いて、CERNにおいて開発 Geant4 - 物質中の粒子の飛跡をシミュレーション - 目的に応じてユーザーが物理プロセスを定義できる - オブジェクト指向プログラム言語 C++を用いて、CERNやKEKにおいて開発ミューオンシミュレーション MUSIC (MUon SImulation Code) V.A. Kudryavtsev, arXiv:0810.4635 物質中でのミューオン伝搬に特化した３次元MCシミュレーションツール (1) 電離 (Bethe-Blochの式) (3) e−/e+対生成 V.A. Kudryavtsev, arXiv:0810.4635 鉛直ミューオンフラックス低エネルギー電離 ~ Z/A 高エネルギー e+/e-, 制動放射 ~ Z(Z+1)/A (2) 制動放射 (4) ミューオン・原子核非弾性散乱ミューオンエネルギー (2 TeV：3 kmの厚みの水を通った後) 地上のミューオンシフラックスミューオンフラックス v.s. ミューオンエネルギー Alfred et al., arXiv:0604078 Gaisser parameterization 実験データに合うように補正ミューオンに特化した３次元シミュレーションツール MUSIC (MUon SImulation Code) 標準的な岩の密度 Latitude (deg) 岩盤の密度・組成 Altitude (m) 1600 36.5 1400 2.65 ~ 2.75 g/cm-3 山の形のデータ（国土地理院の標高数値地図） 1200 36.45 1000 ミューオンフラックス・エネルギー @ KamLAND 伊西岩標準岩 Jμ (m-2 h-1) Eμ (GeV) 5.66 ~ 6.71 262 ~ 268 4.95 ~ 5.83 256 ~ 262 スカルン 4.90 ~ 5.82 測定データ 5.37 ± 0.41 岩盤による遮効果 254 ~ 260 800 36.4 600 KamLAND （深さ1,000 m) 200 36.35 137.25 400 137.3 137.35 0 Longitude (deg) フラックス（測定値）平均エネルギー地表 (1.90 ± 0.12) × 10-2 cm-2 s-1 ~ 7 GeV KamLAND (2,700 m.w.e) (1.49 ± 0.11) × 10-7 cm-2 s-1 ~ 260 GeV KamLANDでのミューオン測定宇宙線ミューオン LS muon BO muon Cherenkov光のみ (Scintillation光無し) BO LS L バッファーオイル液体シンチレータ R LS muon R : impact parameter L : track length in LS 測定平均距離 L = 878 cm 計算平均距離 L = 874 ± 13 cm KamLANDでのミューオン測定 (dQ/dX)Scintillation = 629 ± 47 p.e./cm (dQ/dX)Cherenkov = 31 ± 2 p.e./cm Scintillation/Cherenkov 比 ~ 20 Muon Flux (cm2 s-1) KamLANDでのミューオン測定 zenith angle × 10-7 4 Data 3 MC (MUSIC) 2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Muon Flux (cm2 s-1 rad-1) cos azimuth angle × 10-8 6 Data 4 MC (MUSIC) 山の形から期待される分布を良く再現 2 0 0 100 200 (deg) 300 神岡地下でのミューオンフラックス cosθ SK Data µ HK (栃洞) MC (MUSIC) z HK (茂住) θ y (N) φ φ Data x (E) HK (栃洞) MC (MUSIC) HK (茂住) E N W S ミューオンフラックスは岩盤の厚さ（深さ）に大きく依存神岡地下でのミューオンエネルギー HK （栃洞） 203 GeV SK （茂住） 258 GeV MUSICの計算結果ミューオンフラックスミューオン平均エネルギー HK (栃洞) 7.55 x 10-7 cm-2s-1 SK（茂住） 1.54 x 10-7 cm-2s-1 203 GeV 258 GeV エネルギースペクトルは、muon spallationのシミュレーションに使用ミューオンレートの季節変動 MINOS Far detector ミューオンレート変化 Soudan Underground Mine @ 2,080 m.w.e. 岩盤シールド → 0.73 TeV以上の高エネルギーミューオンのみが届く（銀河宇宙線起源） p 大気 π,Kメソン：大気と反応する前に崩壊してミューオンを生成 π, K ν ν e ν μ 地下で検出できる大気（窒素・酸素）高温 → 低密度検出器（地下）ミューオンレート増加 Soudan上空（成層圏）の気温変化：測定データを基にした計算結果を利用 European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) 温度変化 Suden Stratosphere Warming (SSW) ミューオンレート：温度の相関 Linear regression accounting for errors on both axes Achieved correlation : Pearson coefficient (R-value) = 0.62 previous measurement at LNGS: αT = 0.94 ± 0.07 (MACRO `03) predicted value at LNGS depth: αT = 0.92 ± 0.02 (MINOS `10) D. D’ Angelo, ICRC11 - Beijing, 2011 KamLANDでの中性子検出 KamLAND検出器 1,000トン液体シンチレータ平均 ~ 207 µs 宇宙線ミューオン µ 原子核破砕反応 12C n 不安定核 n-p (2.2 MeV γ) 4.9 MeV (0.5%) 中性子捕獲反応 p 熱中性子化中性子 or 2.2 MeV γ (99.5%) γ 2.2 MeV τ ~ 207.5 µs 中性子多重生成による電子回路の不感時間の影響ミューオンイベントと中性子捕獲イベントとの時間相関をフィット中性子生成率（μトラック長さ当たり） Yn = (2.8 ± 0.3) × 10-4 n / (μ · (g/cm2)) ΔT > 1300 μsec γ 中性子生成率中性子生成率 v.s. ミューオンエネルギー KamLAND 2700 m.w.e Others (A) 20 m.w.e (B) 25 m.w.e (C) 32 m.w.e (Palo Verde) (D) 316 m.w.e (E) 570 m.w.e (F) 3000 m.w.e (LVD) (G) 5200 m.w.e (LSD) MC (Geant4) MC (FLUKA) target CnH2n ρ = 0.8 g/cm3 シミュレーションのほうがデータよりも中性子生成率が低い中性子の空間的広がりミューオン・中性子の距離分布 KamLAND 中性子の多重生成ミュー束 Neutron Counter @ LSM IceCube spallation products 3m µ 中性子多重度 Events/10 cm 103 中性子 (n, γ) 12B β崩壊 102 10 1 10-10 200 400 600 800 1000 1200 1400 Distance from Muon Track (cm) 外部検出器からの中性子検出 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 外部検出器でタグされるミューオン γ ハドロンシャワー e- e+ p µ 2.5 2 0 100 200 300 400 500 Visible Energy (MeV) 600 700 Measurement MC (tracked muon) MC (untracked muon) 1.5 中性子の減衰長データ MC (Geant4) Events/m 3 電磁 or Events/7MeV n Measurement MC (tracked muon) MC (untracked muon) g/cm2 70 ± 2 69 ± 2 g/cm2 誤差の範囲内で一致 1 0.5 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Prompt Event Radius (cm) KamLAND : 反ニュートリノ測定逆ベータ崩壊 ⌫¯e γ p 平均 ~ 207 µs 遅延同時計測 prompt + e mean capture time ~ 207 µsec on proton γ e+ delayed n γ 原子炉・地球ニュートリノ測定 n-p (2.2 MeV γ) 反ν測定のバックグラウンド - 偶発イベント検出器内部・外部の放射線起源 - (α, n) 液体シンチレータ中のα線起源 - 9Li / 8He ミューオン起源・中性子放出β崩壊核 - 高速中性子液体シンチレータミューオン後 2 msec veto 外部検出器（水）・岩盤外部検出器でタグ有効体積カットタグしきれないイベントがバックグラウンドとなる - 大気ニュートリノ主に中性カレント反応によるニュートリノ・核子弾性散乱偶発イベント以外は中性子に由来するバックグラウンド KamLAND : 反ニュートリノ測定逆ベータ崩壊 ⌫¯e γ p 平均 ~ 207 µs 遅延同時計測 prompt + e γ mean capture time ~ 207 µsec on proton n-p (2.2 MeV γ) e+ delayed n γ Events / MeV 4 - (α, n) ミューオン起源・中性子放出β崩壊核 - 高速中性子 KamLAND data accidental fast-neutron atmospheric CC atmospheric NC spallation reactor e BG + solar e (90% C.L. upper limit) 6 検出器内部・外部の放射線起源 - 9Li / 8He 12 8 - 偶発イベント液体シンチレータ中のα線起源高エネルギー反ニュートリノ探索 10 反ν測定のバックグラウンド液体シンチレータミューオン後 2 msec veto 外部検出器（水）・岩盤外部検出器でタグ有効体積カットタグしきれないイベントがバックグラウンドとなる 2 0 - 大気ニュートリノ 10 15 20 Ep (MeV) 25 30 主に中性カレント反応によるニュートリノ・核子弾性散乱偶発イベント以外は中性子に由来するバックグラウンド KamLAND : 太陽ニュートリノ測定電子散乱反応 ⌫x ν測定のバックグラウンド ⌫x - 11Be / 8Li ミューオン起源・β崩壊核 e− e- - 13C(νe, e−)13N 遅延同時計測 e- 荷電カレント反応によるニュートリノ捕獲反応は使えない - 外部γ線 Events per 0.50 MeV 8B太陽ニュートリノ測定ステンレス・岩盤 (n, γ) KamLAND data Best Fit 8 B ν ES 11 Be decay 8 Li decay External γ ’s 13 C(ν e , e-)13N Other 40 30 20 中性子捕獲γ線有効体積カットステンレス (n, γ) 岩盤 (n, γ) 10 0 6 7 8 9 10 11 12 13 20 14 Reconstructed E [MeV] 有効体積を制限しているのは中性子に由来するバックグラウンド KamLAND-Zen : 二重ベータ崩壊探索マヨ 0νββ探索のバックグラウンドラナ 0νββ N¯L N ¯R M H0 質量機構 - 2νββ R H0 136Xe ββ L e- =¯ 105 液体シンチレータ中のβ崩壊核 n - 214Bi ミニバルーン上のβ崩壊核（238U系列） - 137Xe 0νββ崩壊探索 (a) DS-1 + DS-2 104 Events/0.05MeV - 110mAg e- n 3 10 Data Total 136 Xe 2νββ Total (0νββ U.L.) 136 Xe 0νββ (90% C.L. U.L.) 102 238 U Series Th Series 210 Bi 85 Kr 208 Bi 88 Y 110m Ag External BG Spallation 232 ミューオン起源中性子捕獲・β崩壊核中性子捕獲信号でタグ - 10C ミューオン起源・β+崩壊核中性子捕獲信号でタグ高確率で10Cと同時に中性子生成 10 ミューオンイベント後の中性子の検出効率が重要 1 10-1 ββ崩壊核 1 2 3 Visible Energy (MeV) 4 不感時間の無い新電子回路で対応 KamLANDを利用した新しい研究暗黒物質探索第４世代ニュートリノ探索 KamLAND-PICO IsoDAR ~1000 kg NaI(Tl) @ the center of KamLAND2 陽子サイクロトロンカムランド標的遮高純度NaI U 1.1 ppt Th 0.6 ppt (徳島大実績) p(60MeV)+9Be→8Li+2p +中性子多数 n+7Li(遮 8Li→8Be+e-+ ⌫¯e 材)→8Li 2.6×1022/year ~1 eV2 短距離振動探索 DAMAの季節変動検証 DAMA / CoGeNTの季節変動他の実験との矛盾があるので暗黒物質以外で説明が試みられている MINOS Muon and Radon arXiv:1212.1776 ラドン濃度の季節変化？ミューオンの季節変化？ミューオン + 太陽ニュートリノによる中性子生成？ J. Davis, COSPA Meeting PRL 113, 081302 (2014) はっきりとした結論は出ていない → 他の暗黒物質探索実験（季節変動）で検証まとめ • 地下実験では中性子がやっかいなバックグラウンド源となることがあるため、あらかじめ中性子測定によって影響を評価しておくことが重要。 • 宇宙線ミューオンによる原子核破砕、岩盤での(α, n)反応、ウラン自発核分裂によって中性子が生成され、検出器での中性子フラックスは季節変動する。 • バックグラウンド源となり得るミューオン起源の高エネルギーの中性子は測定だけでは評価が困難なので、シミュレーション（MUSIC, FLUKA, Geant4）の助けが必要。 • 神岡地下での中性子測定のデータが増えて欲しい。