Super-‐Kamiokande Gadolinium R&D Project: Gdテスト実証実験とその水チェレン コフ検出器建設の現状 岡山大学 理学部 樹林敦子 他SK GD グループ 日本物理学会2013年秋季大会 動機 反電子ニュートリノ（νe）物理 • GADZOOKS! (Gadolinium AnCneutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super!) – Beacom and Vagins, Phys. Rev. Le,., 93:171101, 2004 • 超新星背景ニュートリノ（SRN）の観測 – 観測されれば世界初 • 超新星爆発からのニュートリノ – 電子散乱事象測定の向上による、超新星爆発の方向決 定精度の改善" – ケイ素燃焼過程からの反電子ニュートリノで超新星爆予 測 9/22/13 2013年秋季大会 2 Super-‐Kamiokande EGADS 実験室 EGADS EvaluaCng Gadolinium’s AcCon on Detector Systems SK 純水装置 To Atotsu entrance 地下地図 9/22/13 駐車場 2013年秋季大会 SKにGd? • 透過率は？ • Gd-‐水の純化方法は？ • Gdの溶解・除去方法は？ • SK内の物質への影響は？ è EGADS・Gdテスト実証実験 3 EGADS (Step 1) 200 m3 タンク 透過率測定装置 15m3 タンク Gd-‐水純化装置 w/o PMT n 200 m3 タンクに純水を循環、Gd-水純化装置の循環試験 n 2011年3 - 6月 9/22/13 2013年秋季大会 4 Gd-水純化装置の概念図 200m3タンクからの 硫酸ガドリニウム水 濾過されない 硫酸ガドリニウム 硫酸ガドリニウムと UFを通過した物質 ウルトラフィルター （UF） ナノフィルター （NF） NFを通過した物質 濾過されない大き なゴミ、排水へ 逆浸透 （RO） 別の逆浸透へ 9/22/13 2013年秋季大会 ROを通過した 純水と、NFで濾過 されない硫酸ガドリ ニウム、200m3タン 5 クに戻る EGADS (Step 2) 200 m3 タンク 透過率測定装置 15m3 タンク Gd-‐水純化装置 n n n n w/o PMT 0.2% 硫酸Gd水 の15m3 タンク内循環 Gd水の透過率測定 2011年8月- 2012年12月 88% まで到達 9/22/13 2013年秋季大会 6 EGADS (Step 3) 200 m3 タンク 透過率測定装置 15m3 タンク Gd-‐水純化装置 n n n n w/o PMT 0.2% 硫酸Gd水 の200m3 タンク内循環 SUS タンクの影響 の検証 2012年12月 – 2013年6月 SKの超純水の85％まで到達 è Lluisの発表 9/22/13 2013年秋季大会 7 EGADS (Step 4) 200 m3 タンク 透過率測定装置 15m3 タンク Gd-‐水純化装置 n 光センサー240個取り付け n 2013年7 – 8月 9/22/13 2013年秋季大会 8 光センサーの種類 9/22/13 2013年秋季大会 9 9/22/13 2013年秋季大会 10 EGADS検出器 建設終了 （8月13日） 9/22/13 2013年秋季大会 11 宇宙線ミューオン 事象 9/22/13 2013年秋季大会 12 EGADS (last Step) 200 m3 タンク 透過率測定装置 15m3 タンク Mini-SK (SK内と同物質 ) Gd-‐水純化装置 n 純水で循環試験後、 0.2% 硫酸Gd水で試験 n 総合試験 n 2013年8月 9/22/13 2013年秋季大会 13 まとめ • Gdテスト実証実験（EGADS）: è 空のSUSタンク内で、SK純水の85%に到達 – 透過率 è 200m3で確立 – Gd-‐水の純化方法 – Gdの溶解・除去方法 è 200m3で確立、大量の硫酸Gdに対しては今後も要検証 – SK内の物質への影響 è浸蝕試験で硫酸ガドリニウムは問題ないという結果、今後200m3検出器で検証 • 予定 – 年内：純水でキャリブレーション – その後：Gd-‐水で総合試験 9/22/13 2013年秋季大会 14 BACKUPS 9/22/13 2013年秋季大会 15 EGADS Lab. In Kamioka Mine 200 m3 SUS tank Transparency measuring device 15 m3 plasCc tank (for dissolving Gd) Gd purificaCon (resin to remove U 9/22/13 keeping Gd) Gd-‐water filtraCon 2013年秋季大会 Feb.16, 2011 16 Neutron Capture by Gadolinium n p + e Gd γ 8 MeV ΔT~20μs VerCces within 50cm Captures on Gd νe! 100% 80% 60% 40% • 0.1% Gd gives 90% neutron capture eff. • ~100 ton of Gd2(SO4)3 in SK • Large cross secCon of Gd for neutron capture – ~49,000 barns (0.3 barns on free proton) • Coincident signal detecCon to suppress background 0% 0.0001% 0.001% 0.01% 0.1% 1% 9/22/13 20% 2013年秋季大会 Gd in Water 17 Expected Signal and Background Assume : • 90 % neutron capture efficiency, • 74% Gd gamma detecCon efficiency, • invisible muon B.G. is 35% of the SK-‐IV invisible muon B.G. Expect: • 10-‐45 SRN events in 10-‐years data taking (Evis = 10-‐30 MeV) 9/22/13 2013年秋季大会 18 Supernova DirecCon w/o Neutron Tagging ν+e ν+e νe+p νe+p ν+e ν+e SN at 10kpc νe+p 9/22/13 νe+p 2013年秋季大会 Neutrino flux and spectrum from Livermore simulaCon 19 Supernova DirecCon w/ Neutron Tagging ν+e ν+e Removing tagged events νe+p νe+p ν+e ν+e νe+p 9/22/13 νe+p 2013年秋季大会 SN at 10kpc Neutrino flux and spectrum from Livermore simulaCon 20 SN DirecCon DeterminaCon Precision DirecCon DeterminaCon Precision (1000 MC events) DirecCon DeterminaCon Precision No Osc. Oscillated (normal hierarchy) 振動なし Oscillated (inverted 振動あり（正階層性） hierarchy) Number of supernovae tag eff. = 1.0 tag eff. = 0.8 振動あり（逆階層性） tag eff. = 0.0 2x beoer precision with neutron tagging. 9/22/13 2013年秋季大会 21 9/22/13 2013年秋季大会 22 9/22/13 2013年秋季大会 23 Captures on Gd M. Vagins 100% 400 kg à 88% 80% 149.4 kg à 73% Thermal neutron capture cross section (barns) 274 kg à 83% 89.4 kg à 62% 60% 40% 20% Gd = 49700 60 kg à 52% S = 0.53 30 kg of Gd2(SO4)3 8H2O in 200 tons à 35% capture on gadolinium H = 0.33 0% 9/22/130.0001% 0.001% 2013年秋季大会 0.01% O = 0.0002 0.1% 1% Gd in Water 24 15-‐ton tank Gd loaded water SK-III and SK-IV Ultrapure Water = 74.7% - 82.1% Drops due to embrane replacement 9/22/13 2013年秋季大会 FiltraCon system down 25 Gd-‐水純化装置 UF#1 Reject Line Chiller To Drain RepressurizaXon Pump (>0.6 MPa, >4 ton/hr) 0.2 µm 2nd Stage Filter UV #1 5 µm 1st Stage Filter Intake Pump (>4 ton/hr) Nanofilter ##1 1 Nanofilter Nanofilter 1 Nanofilter ##1 Concentrated Gd NF Reject Lines Recycles RO Reject Lines Nanofilter #2 Nanofilter Nanofilter ##2 2 9/22/13 TOC 5 µm Filter Repressur-‐ izaXon Pump (>0.9 MPa, >2 ton/hr) RepressurizaXon Pump (>0.9 MPa, >1.5 ton/hr) RO #1 2013年秋季大会 Conveying Pump (~0.35 MPa, >4 ton/hr) UV #2 0.5 ton Buffer Tank RepressurizaXon Pump (>0.6 MPa, >3 ton/hr) DI #1 0.5 ton CollecCon Buffer Tank UF#2 Reject RO Permeate Lines DI #2 5 µm Filter RO #2 26 Membrane Degas 200 ton EGADS Main Tank Ultrafilter ##2 2 Ultrafilter Ultrafilter #1
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