阪大 岸本忠史 CANDLES Collaboration 大阪大学理学研究科 岸本忠史、吉田斉、鈴木耕拓、角畑秀一、Wang Wei、Chan Wei Min、 Van Trang、 石川貴志、田中大樹、田中美穂、土井原正明、前田剛、太畑貴綺、鉄野高之介 大阪大学RCNP 能町正治、味村周平、梅原さおり、中島恭平、飯田崇史、松岡健次 福井大工学部 玉川洋一、小川泉、川村篤史、富田翔悟、藤田剛志、原田知優、坂本康介、 吉澤真敦、犬飼祐司 徳島大総合科学 伏見賢一 大阪産業大学 硲隆太、中谷伸雄 佐賀大学文化教育学部 大隅秀晃 A02： 48Ca を用いたニュートリノのマヨラナ性の 研究と超高分解能技術の開発 -- CANDLES -• 48Caの2重ベータ崩壊の研究 – CANDLES III(UG) 実験 • 低BG化 • 高分解能化 • 遮蔽 48Caの濃縮技術の開発と濃縮 – ββ崩壊核の増大とBG低減の同時達成 • CE • レーザー • MCCCE CE樹脂 μリアクター • ボロメーター技術の開発 – 高エネルギー分解能化 2 Why 48Ca • Highest Q value (4.27 MeV, 150Nd: 3.3 MeV) – Little BG（g: 2.6 MeV, b: 3.3 MeV） – Large phase space factor • Small natural abundance: 0.187% – Isotope separation → expensive (no Gas) • Next generation – <mn>~ T-1/2 ~ M-1/2 (no BG) M:物質量 ~ M-1/4 （BG limited） – 濃縮 増大＋S/N比向上： 500倍 – 高分解能化：ボロメーター（結晶） • Beyond inverted hierarchy 48Ca + enrichment + bolometer 3 CANDLES III Site: 神岡鉱山地下 ~1000 m 検出器: 直径3m × 高さ4m (水タンク) 液体シンチレータ設備 Lab D Kamioka Lab. Map KamLAND リザーバタンク 純化装置（液々抽出、GN2パージ塔） Super Kamiokande 4m CANDLES 3m XMASS CANDLES III JPS Meeting @東海大学 GDZOOKS! 2014/03/27 4 CANDLES III(UG) CANDLES at Kamioka underground laboratory 4m CANDLES III CaF2 シンチレータ (CaF2(pure)) 305 kg (96個 × 3.2kg) t ~ 1msec 液体シンチレータ (LS) 全方向ベトー検出器 体積2m3 t ~ 数10nsec 光電子増倍管 13inch PMT × 48 20inch PMT × 14 ライトパイプ 集光効率改善：エネルギー分解 能改善 CaF2 液体シンチレータ ライトパイプ PMTs 3m 水 ベトー検出器システム 波形の違いを利用 CaF2(pure) : ～1msec Liquid scintillator : 数 10 nsec CANDLES III(UG) CANDLES at Kamioka underground laboratory CANDLES III CaF2 シンチレータ (305kg) 液体シンチレータ タンク(2m3) 光電子増倍管 ライトパイプ CaF2 シンチレータ (CaF2(pure)) 305 kg (96個 × 3.2kg) t ~ 1msec 液体シンチレータ (LS) 全方向ベトー検出器 体積2m3 t ~ 数10nsec 光電子増倍管 13inch PMT × 48 20inch PMT × 14 ライトパイプ 集光効率改善：エネルギー分解 能改善 ベトー検出器システム 波形の違いを利用 CaF2(pure) : ～1msec Liquid scintillator : 数 10 nsec 外部起源のBG Rejection of LS Events • Pulse shape information by 500 MHz Flash ADC – Typical Pulse Shapes CaF CaF2+ Liquid Scintillator Liquid Scintillator 2 Liquid Scintillator CaF2 CaF2 CaF2 Liquid Scintillator 内部起源のBG @ Q値領域 CaF2不純物起源のバックグラウンド事象 連続信号 連続信号 β+α Th系列 Emax=5.2MeV(Th) 5.9MeV(U) 208Tl CaF2(pure) 減衰定数: ～1μs 事象 212Bi と 208Tl(T1/2=3分) . . . 事象位置と 時間相関から除去 先行α線をα-γ波形解析で識別（偶然同時計数を低減） →時間差解析 バックグラウンド除去 連続事象 208Tl事象 ：時間差が長い事象→連続波形を識別 時間差が短い事象→α線波形を除去 ：先行α信号(212Bi)との位置・時間相関 8 8 連続崩壊事象 212Bi→212Po崩壊 Th系列 連続崩壊 3MeV以上のエネルギー領域に分布 T1/2 = 0.3μsec 典型的な連続崩壊波形 先行β 時間差が短い連続信号波形 遅延α線 62本PMTの足し合わせ波形 ２つの手法で除去する １、時間差識別によって除去：95%以上の除去効率 ２、α線波形弁別によって除去 9 9 波形弁別（α粒子の同定） -連続崩壊、208Tlの除去波形解析によるα-γ粒子弁別：shape indicator(SI) α線：214Po 7.6MeV(Ee=2.6MeV) γ線 ：208Tl 2.6MeV 214Po(±1σ) 連続信号(±1σ) γ-ray(±1σ) “χ2 フィット” “Shape Indicator” ref：Shape Indicator (PRC67(2003) 014310) 214Po(2.6MeV) CaF2 γ事象 +小さな液体シンチ レータ信号 4σ γ-ray（2.6MeV） mean :-0.008(γ-ray) :1.005(α-ray) σ :0.260(α-ray) ：液体シンチレータ信号除去 ：α-γ弁別（χ2フィットの補完解析） SIによるα線識別効率97% @ 2.6MeV (γ線:3%) 99%@4.3MeV 212Bi選択時にはさらにγ線事象を低減するためにχ2も併用。 10 10 208Tl除去：先行212Bi信号 212Bi→208Tl Th系列 232Th →208Pb 崩壊 212Bi a 208Tl 36% T1/2 = 3.0min Qa = 6.2MeV Qb = 5.0MeV (Ee=1.7MeV) 先行 212Biエネルギースペクトル 先行信号 偶然同時信号 遅延信号 = 3.5-5.1MeV β +γ 208Pb stable Emax=5.0MeV 212Bi と 208Tl(T1/2=3分) . . . 事象位置・時間相関解析 Δt分布 208Tl 半減期 = 152±27sec 2つの指数関数 偶然同時 ・208Tlの半減期183秒を確認。212Biのα線ピークを確認。 →212Biの識別は可能 Time(sec) 11 11 エネルギースペクトル 測定：純度が高い結晶26個 DAQ更新前(4週間データ) DAQ更新後(8週間データ) Qbb値 Qbb値 カット条件 ・cb<1.5選択 ・-3s<SI<1s選択 ・208Tl除去(720sec<) ・連続信号除去(<20nsec) DAQ更新前 DAQ更新後(現在解析進行中) 測定時間、検出効率 2241 kg・days、0.34 4987 kg・days、0.28 事象数 4 6 予想されるBG量 ~0.5(結晶内)+1.5(中性子) ~1(結晶内)+3.4(中性子) 測定感度 0.5×1022年 0.8×1022年 BG ・測定感度：~1×1022年 内部：当面OK 外部：要対策 12 中性子捕獲からのγ線 中性子線源(252Cf)を検出器・岩盤に照射 飯田、角畑、中島 (2014年物理学会他) 252Cf測定と通常測定のエネルギースペクトルを比較 エネルギースペクトル 252Cf測定（3時間） 通常測定（88日） 線源設置の様子 （低エネルギーLS信号があるものを含む） Fe Ni Si 高エネルギー領域：ステンレス・岩石の(n,γ)反応でスペクトルを再現した。 →予想される事象量の見積もり 13 中性子捕獲γ線遮蔽 CANDLES IIIシールド概念図 CANDLESタンク部分 鉛シールド（γ線） 7~12cm ホウ素シート（中性子） 5mm 遮蔽：1/100に低減 ・鉛（タンク外側）：岩盤からのγ線を 止めるための鉛 ・ホウ素（タンク内側）：タンク(SUS) に入る中性子を吸収(n,g)を抑える 鉛（g線） 横：完成 上下 B（中性子） 秋をメド エネルギー分解能向上（冷却） CaF2 temperature Water temperature Light yield Test experiment Relative gain Light yield increase at low temperature Observed: 2%/deg. increae Cool CANDLES III from 20 to 0 degrees. 40% increase: This year 検出器冷却・温度安定化装置導入 検出器の冷却 CANDLES IIIで冷却性能テスト 実験室全体を冷却して温度コントロール 到達温度：室温2℃、検出器3℃、温度変動±0.1℃ インストールが終了し性能評価 ＋地磁気補償コイル 1.4 =1.8 1.3 実験室外送風ダクト 冷風器 この階段上部分に冷風器設置 冷風器室外機 水用冷却器 本体タンク 16 48Caの濃縮 • 物理的方法 – 遠心分離法：ガスのみ（核燃料） – レーザー法：実用化はこれから • R&D 仁木：反跳法 – 質量分析法：48Ca等、高価（10g/億） • 化学的方法 – 反応率の差：重水素、ホウ素 – クラウンエーテル(CE) • 樹脂法 • マイクロリアクター • 電気泳動法：MCCCE法 17 CE樹脂による48Ca濃縮 同位体効果 濃縮量 濃縮度 クラウンエーテルによる濃縮 濃縮効果 同位体効果 最大: 0.0026 多く 高く 自然同位体比 = 0.0019 ・長い泳動距離 = 高い濃縮度 ・48Ca 大量化 → 現在、体積10～100倍システム 大量化の際に想定される問題の洗い出し ・クラウンエーテルは非常に高価(5000円/g) →自分たちで合成する技術を開発：原材料費 1/1000 18 電気泳動法 Multi-Channel Counter Current Electrophoresis (MCCCE) 19 キャピラリー電気泳動法によるMAの分離分析 ○キャピラリー電気泳動法（毛細管内で電気泳動を行う方法） 錯形成剤(a-HIBA)を含んだ溶液 数万ボルト 100 mm以下 ＋ － ・試料成分の移動速度は，電荷・大きさ等により違いが出る。 短時間で高い分離 少量：分析 Pm-Gd 48 1 0.8 Cs Sr Ce Pm Am Y,Cf Ce Cs Cm Sr 0.6 Eu Gd Y Cf Yb Lu Yb Lu 0.2 100 47 Simulation 46 45 Pm Sm 0.4 0 キャピラリー電気泳動装置 150 200 250 300 350 400 Elapsed time / s 溶離速度 450 44 Sm 43 Am Eu Gd 42 41 40 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 -1 61Pm > Am > Cm > 62Sm > 63Eu > 64Gd アクチニド，ランタニド混合試料の 相互分離を短時間で達成 1 / r (nm , CN = 8) 図 イオン半径の逆数と各元素の移動度との関係 ％程度の速度差まで分離，イオン半径 錯安定度定数などの化学量を導出 向流電気泳動法 • 大口径泳動（藤井実験） – – – – 時間：1000時間 泳動距離：23m（向流） 濃縮度：1.3 倍 広がり： σ ～10cm • なぜ長時間必要？ 長時間で低い分離 大量濃縮 Key issues in 電気泳動法 • 電圧×電流→ジュール熱：冷却 – キャピラリーE→小口径→高電力密度 • 少量； 短時間・高濃縮度 – 向流E→大口径→低電力密度 • 大量； 長時間・低濃縮度 ジレンマ • 試行錯誤 – ジュール熱を発生しない泳動装置 • 交互場電気泳動 – 失敗 • Multi-Channel Counter-Current Electrophoresis (MCCCE法) 22 濃縮（分離）の条件 • 泳動距離 l mEt – μ：移動度、E：電場、ｔ：時間 m m ( Ca) m ( Ca) • 分離を妨げるもの：拡散 s 2 Dt – 拡散係数：D、 広がり：σ • 分離の条件 2 Dt mEt 40 48 2D 1 E m t 2D t ( m E ) 2 • 電場をn倍→効率n倍 – 時間1/n2、泳動距離1/n – 但し、単位体積当たりの電力はn2 高電場が有利 電力密度の最大化 • 泳動路からの有効な除熱 – 泳動路は絶縁物：電場を掛けなければならない – 絶縁物は熱伝導が悪い • 電子：電流も熱も運ぶ • 例外：BN, AlN, ダイアモンド, 等 – 伝導電子は無いが、格子振動が熱を運ぶ • 水や樹脂の１００倍から１０００倍 – 泳動路と冷却の最適化 • 温度分布 J grad T 円柱のチャネルに適応 J dV J:単位面積当たりの熱量 λ：熱伝導率 r C surface 2 C C r 2 T 4 向流 電場 BN plate 10 mm thick 0.8mmΦ, every 4 mm 25 Tabletop instrument 26 BN板 0.8Φ穴 4mm毎 40mm径内 69個 27 43Ca/48Ca ratio by ICP MS • ICP Mass Sp： 40Ca量計測が困難 – 東工大原子炉TIMS：数か月に1回 • 43/48 ratio – ICP-MS@阪大RIC BN 10mm： 6倍の濃縮 3 R(MCCCE) R(43Ca / 48Ca) exp( ) 3.08 R(40Ca / 48Ca) exp( 8 / 5) ~ 6 3.5 2.5 2 Series1 1.5 1 0.5 0 BN 20mm： 濃縮度10倍 初期の目標に到達 向流 140 150 160 170 180 190 V (Applied voltage) 0.75 0.85 0.95 ~0.72mm/sec イオンの泳動速度 (mm/sec) 28 PTEP: 3月号 Referee rejected in the beginning 高分解能化 - 2nbb: ultimate BG • 2nbb decay – エネルギー分解能 – 1% or better to explore sub 10 meV region <mn>=0.009eV • シンチレーター – 2.8%: our limit • Light collection • cooling • ボロメーター: 0.5% – 結晶 エネルギー分解能4% エネルギー分解能2.8% エネルギー分解能1% 30 2nbb 事象(Ultimate BG) エネルギー分解能の改善 Bolometer CaF2結晶内部の放射性不純物 (Th系列) Th系列（β-α信号） Bolometer (no quench) Th系列（208Tl） 結晶細分化 ELEGANT-VIの経験から 10cm立方結晶 小型化 (4~5 cmでOK) 環境中性子起源γ線 エネルギー分解能の改善＋結晶小型化 Bolometer 既存のBGは大きく低減可 しかし… 新しいBG候補 48CaのQ値 ： 4267.98(32) keV 238UのQ値 ： 4270 keV 最新値@ arXiv:1308.3815 分解能改善だけでは除去不可 Scintillating Bolometerの開発 Scintillating Bolometer for CaF2 2016/3/30 31 既に、いくつかの実験で実用化 CRESST-II (CaWO4), Lucifer, AMoRE CaF2(Eu) NIMA386 (1997) 453 結晶 (0.3 g) 、粒子弁別分離能が小さい 超薄膜の Si半導体 成功例 CRESST-II実験 熱量蛍光検出器 40φ×40mm (CaWO4) 熱量に加え、蛍光量も同時に測定 蛍光のα線クエンチング効果を用いたα/β粒子識別 238Uのα崩壊事象（Q値=4.27MeV=0νββ崩壊のQ値）を排除 蓑輪研より借用 Scintillating Bolometer for CaF2 2016/3/30 32 A02： 48Ca を用いたニュートリノのマヨラナ性の 研究と超高分解能技術の開発 -- CANDLES -• 48Caの2重ベータ崩壊の研究 – CANDLES実験 • 低BG化 • 高分解能化 • 遮蔽 48Caの濃縮技術の開発と濃縮 – ββ崩壊核の増大とBG低減の同時達成 • CE • レーザー • MCCCE CE樹脂 μリアクター • ボロメーター技術の開発 – 高エネルギー分解能化 33 核行列要素 GT: usually considered Fermi: none if isospin holds Tensor: small • 48Ca Ab initio cal. (shell model)2重閉殻 f5/2 – lowest order = 0 • GT: n(f7/2) → p(f5/2) no GS • Fermi: n(f7/2) → p(f7/2) IAS GT(ΔT=1) f7/2 d5/2 Fermi(ΔT=0) – 実際：2νββ観測 p 理論：寺崎 原子核行列要素の方法による不一致問題の解決をめざして 実験：矢向 n CANDLES計画の特徴 ELE VI (48Ca) 100Mo 130Te 136Xe 我々の研究 世界の研究 76Ge 1 CAN III (48Ca) 0.01 技術 T1/2∝ M 検出器の大型化 バックグランドの 低減 バックグラウンド量／M 100 バックグランドなし測定 (T1/2∝M) 0.1 予算 CAN IV (48Ca) 1 10 100 1000 10000 二重ベータ崩壊核の量 M 1. 無バックグラウンド 測定の実現、 2. それから大量化
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