SKにおける超新星ニュートリノ探索と ”低バックグラウンド”ガドリニウム

SKにおける超新星ニュートリノ探索
と
”低バックグラウンド”ガドリニウム
導入計画現状
池田一得（ICRR）
For
戸村（ICRR）、関谷（ICRR）、他C・D班の皆様
20150316@東京理科大
新学術「地下素核研究」
第一回超新星ニュートリノ研究会
1
もくじ
SKにおける超新星爆発ニュートリノ観測
• 超新星爆発バーストニュートリノ
• 超近傍超新星爆発
• 超新星背景ニュートリノ
小汐さんのお話
計画の進捗状況
• 超近傍超新星爆発観測用エレキ
• ”低バックグラウンド”ガドリニウム導入
Nearby Supernova for SK
• In June 2009, it was reported that
the size of Betelgeuse (a Orionis)
decreased by 15% over past 15
years.
• Candidates
• Betelgeuse: 640 ly
• Antares: 550 ly
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107
106
event rate [Hz]
• If a SN burst occurs at 500 ly from
the earth, the total number of
events in 10 s at SK reaches 30M
and the maximum event rate
exceeds 30 MHz.
Event Rate [Hz]
• C. H. Townes et al. 2009, ApJ, 697,
L127
𝜈𝑒 + 𝑝 → 𝑒 + + 𝑛
𝜈𝑒 + 𝑒 − → 𝜈𝑒 + 𝑒 −
105
104
103
102
𝜈𝑥 + 𝑒 − → 𝜈𝑥 + 𝑒 −
𝜈𝑒 + 16𝑂 → 𝑒 − + 16𝐹
(640ly, Livermore simulation)
3
time [s]
Current DAQ Capability
• Current DAQ can process up to
6M events/10 s without losing data.
• Otherwise, buffer will be overflown in
QBEE
• Bottleneck is mainly disk access.
• Corresponds to ~1300 ly SN.
• For 500-ly SN, only first 20% of data can
be recorded.
• Implemented prescale ( = 100) for
such high event rate.
full
• Inputting veto trigger into frontend
electronics board to reduce data size for
main DAQ system
• Can avoid large dead time
• Not enough to understand SN structure.
 Need to build a new dedicated DAQ system.
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New System for Nearby SN Burst
横澤（現KAGRA）→織井
Requirements:
• Record data w/o dead time
during a burst
• Detect nearby supernova to
generate SN trigger
• Independent from the current
readout system
• Count # of PMTs that detect
photons
Computer/
Logic
• Utilize “digital hitsum” signal
from QTC in QBee
• Number of PMT hits in ~16 nsec
(60 MHz)
• Always active, even if buffer is full.
2015/03/16
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New System for Nearby SN Burst (2)
• Number of PMTs ∝ flux × neutrino energy (≅ energy
flow)
• Typical energy of supernova neutrino: 20 MeV
• Supernova neutrino: ~120 hits/event  Occupancy: ~1%
• Most of the hits are 1 p.e. level
• Data rate is constant.
• Constantly recording at 60 kHz.
• Output from a board: 96 bit (12 byte) × 60 kHz ≅ ~1 MB/s
• Sum over all boards in computer: 64 bit × 60 kHz ≅ 250 kB/s
• We can record the time development of energy flow.
2015/03/16
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Outputs from SN Board
• 60-kHz sum (continuous)
• Always sent to computer and stored
in the disk.
• If there is no supernova for a week,
this data will be deleted.
• Neutrino event identification
• Variation of PMT dark noise:
σ  26 hits / 16 us / detector
• Signal: 120 hits / event @20 MeV
• Single neutrino event can be identified.
• 60-MHz sum (burst readout)
Dark Noise
• Neutrino burst continues ~10 sec.
 Record 1 min. around supernova
• Overwriting in memory.
• Read out from memory when supernova happens.
• SN trigger
• Issued when supernova-like burst is detected.
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Development Status
• 2010~2012: Prototype production and
test
• 2013: Mass production, component
test
• 2014.1: Finalize firmware
• 2014.4: Check of interference
Master clock
distributor
• New board should not affect the quality
of the data from QBee.
• 2014.9~11: Install modules, cables,
and computers
QBee x10
• W/ 60-kHz counter, synchronize data
from each SN burst modules and from
QBees.
• 2014.11~: Commissioning
• Updating firmware to fix minor
problems.
module x2
• Data synchronization
• Memory readout speed
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GADZOOKS!計画 Beacom and Vagins PRL93,171101 (2004)
(Gadolinium Antineutrino Detector Zealously Outperforming Old Kamiokande, Super!)
neutron
ne
proton
• Large cross section for thermal neutron
• Neutron captured Gd emits 3-4 g ray in total 8
MeV
Gd
超新星背景（SRN）ニュートリノ
e+
Capture on gadolinium [%]
100
100[%]
90
g
Gd capture eff.
8080
70
6060
0.2% Gd2(SO4)3 gives
90% neutron capture
50
4040
30
2020
10
000
0
0
0.002
0.02
0.02
Gadolinium sulfate concentration [%]
0.2
0.2
Gadolinium sulfate concentration[%]
SRN mode:PRD79,083013(2009)
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実現に向けての課題
• 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
• 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
低バックグラウンドに関係するトピック
10
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~30ppb
(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
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。
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-urea Spray w/o toner
On SUS plate
#5 Poly-urea Spray w/o toner
#7 FRP (PMT case)
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-urea 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)
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-urea 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、プライマーの選定等は現在進行中（これはこれで無茶苦茶大変→小汐さん）
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
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
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
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
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
20
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。
低バックグラウンドGd溶液 R&D
Gd化合物溶液
1m3タンク
ガスライン
液ライン
D班との共同開発
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
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。
・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。
22
現在の進捗状況
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
予定
• まずは純水を使ってシステムからのRn湧き出し
（BG）測定
• 膜脱気のテスト・改良
• 評価する樹脂からのRn湧き出し
• Gd水溶液のRa測定
• 樹脂あり、なしのときのRa量の測定
来年度中に結果を出す。
そのあと、GｄをSKに導入する（２～３年）
まとめ
• 超近傍超新星：
• 現行DAQのリミット： 6M事象/10sec
• ⇔ ベテルギウスが爆発したら、＞10M事象/10sec
• 現行DAQから独立なエレキを開発
• 普段はヒット数を60kHzで記録
• バースト付近の一分間のヒット数を60MHzで記録できる。
• ４月以降のT2Kが止まった時に本格導入
• “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
• 低バックはGdだけでない！
• 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

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