ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索 XIV～高速PMTとFADCを用いた低エネルギー電子によるチェレンコフ光の波形観測～
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日本物理学会 第74回年次大会
2019年3月16日
宮城教育大学教育学部
東京大学宇宙線研究所
福井大学工学部
東京理科大学理工学部
東北大学金属材料研究所

福田善之、安齊太亮*、亀井雄斗*、
那仁格日楽＊、小畑 旭*
森山茂栄、平出克樹
小川 泉
郡司天博、塚田 学、速水良平
黒澤俊介

96Zrを用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象探索実験-ZICOS
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) 082503

0𝜈𝜈
NEMO3 : 𝑇𝑇1/2> 9.1 × 1021 yrs

96Zr : 45kg (nat.) → 865kg(50% enrich)→1/20 BG

0𝜈𝜈
𝑇𝑇1/2
> 4 × 1025 yrs → 2 × 1026 yrs → ~1 ×1027yrs

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2019年3月16日

2Recovering the energy resolution
Measured at several conditions of PPO concentration
5wt.% PPO helps again
the energy resolution
35% → 13%. at 10wt.%
of Zr(iprac)4.
13.0±2.0%√(64%/9.2%)X(3.35MeV/1.03MeV)= 2.7±0.4% at 3.35MeV
Almost achieved goal !
(not confirmed yet)
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3チェレンコフ光の平均角を用いた背景事象の除去
Simulated by EGS5

Simulated by EGS578%維持
Vertex position
Double beta decay event sample
Simulated by EGS593%除去

シミュレーションでは1MeVの電子が放出するチェレンコフ光を受208Tl 背景事象と二重ベータ崩壊
光したPMTのヒットパターンを用事象のPMTヒットパターン
いて 208Tl 背景事象が除去可能
Vertex position

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4今回使用した光電子増倍管
浜松ホトニクス H2431-50 (R2083)

 感度：４００K
 ダイノード構造/段数 L（ラインフォーカス）/8段
 印加電圧：３０００V
 ゲイン：2.5×106 暗電流:100nA (H6410:10nA)
 時間特性：0.37ns(TTS) 0.7ns（上昇時間）
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5今回使用したFADC digitizer
CAEN V1751
 10 bit 2 GS/s (interleaved) – 1 GS/s ADC
 4-8 channel
 FPGA for real time Digital Pulse Processing: Pulse Shape Discrimination (DPP-PSD)
 Zero Length Encoding (DPP-ZLEplus)
 0.2 or 1 Vpp input dynamics single ended or 1 Vpp differential
 16-bit programmable DC offset adjustment: ±0.5 V / ±0.1 V
 Trigger Time stamps
 Memory buffer: up to 14.4 MS/ch (28.8 MS/ch @2 GS/s)
 Programmable event size and pre-post trigger adjustment
 Analog Sum/Majority and digital over/under threshold flags for
Global Trigger logic
 Front panel clock In/Out available for multiboard synchronisation(direct feed through or PLL based synthesis)
 16 programmable LVDS I/Os
 Optical Link interface (CAEN proprietary protocol)
 VME64X compliant interface A2818(PCI) / A3818 (PCIe) Controller available for handling up to8/32 modules Daisy chained via Optical Lin Firmware upgradeable via VME/Optical Link
 Libraries, Demos (C and LabView) and Software tools for Windows andLinux2019年3月16日
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90Sr/90Yのベータ事象による波形観測

90Yのベータ崩壊事象はチェレンコフ閾値（0.7MeV）以上のエネルギーを持つ

高統計のベータ線事象を使用して、シンチレーションとチェレンコフ光の波形を観測
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7観測したシンチレーション光の信号上昇・下降の早い・遅いタイミングに分かれなかった
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8観測したチェレンコフ光の信号

上昇・下降の早い・遅いタイミングに分かれた
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9シンチレーション光とチェレンコフ光の平均波形分布 シンチレーション光の下
降時間は6.5ns
 チェレンコフ光の下降時
間は2.4ns (fast)と2.7ns(slow)
 以前測定したコンプトン
電子の波形とほぼ同様
 チェレンコフ光の波形は上昇・下降ともにシンチレーション光の波形よりも有意に短い
チェレンコフ光による波形分別の可能性を示唆
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10標準シンチレータにおけるシンチレーションとチェレンコフ光の波形比較
測定の条件を揃えて、シンチレーション光とチェレンコ
フ光の波形をプロット立ち上がりの2~3nsの波形の違いを判断するPSDが必要（実際には、ZICOS用
液体シンチレータの光量は標準シンチレータの半分なので、もう少し見やすいはず）
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11電子によるシンチレーションパルス波形の比較••

一定方向に後方散乱したガンマ線との同時計測でコンプトン散乱による単色電子を用いて、シンチレーション光の平均パルス波形を観測
90Srのベータ線で観測されたシンチレーション光のパルス波形と一致

電子事象によるシンチレーション光の平均波形は確定。
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まとめ
•

90Sr/90Yのベータ線を用いて、標準液体シンチレータおよびアニソールからの信号波形を高統計事象で観測した。
• チェレンコフ光の波形は、シンチレーション光の波形より有意に早い上昇時間（と下降時間）を有していることが明らかになった。
• シンチレーション光の波形はコンプトン散乱の電子事象で観測された波形と一致した。
• 以上から、低エネルギー電子によるシンチレーション事象の信号波形から、チェレンコフ光受光の有無を分別できる可能性が示唆された。
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今後の計画（１）• Zrを含有したZICOS用液体シンチレータを用いて、チェレンコフ光の有無を判断する波形分別法を開発• 光電面率60%の新規ライトガイドを用いて、 ZICOS用液体シンチレータのエネルギー分解能測定

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今後の計画（２）• 新規ライトガイドを用いて、低エネルギー電子事象によるチェレンコフ事象の方向依存性の有無を確認• HUNI-ZICOS検出器による平均角分布の測定→チェレンコフ光によるＢＧ除去の実証

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BACKUP日本物理学会 第74回年次大会

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16Zirconium β-keto ester complex
Zr(CH3COCHCOOCH(CH3)2)4 Zr(CH3COCHCOOCH2CH3)4= Zr(iprac)4
mw : 663.87= Zr(etac)4mw : 607.76

Synthesized byProf. Gunji.

Absorption wavelength could be shorten.
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17Absorbance spectra for Zr(iPrac)4and PPO
Absorption peaks ofZr(iPrac)4 and PPO
found around at 278nm
and 310nm, respectively.
.

PPO may cover theemission of Anisole, inspite of absorption ofZr(iPrac)4.
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Recovering the light yield
Measured at several conditions of PPO concentration
5wt.% PPO helps
actually recovering thescintillation light yield.

48.7±7.1% light yield
to standard cocktail
was obtained at10wt.% concentration.
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19標準シンチレータにおける左右PMTのシンチレーション波
形の比較

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Hamamatsu H2431-50

ＰＭＴガラス面、ライトガイド？

対面のＰＭＴに光量がある事象を選択（但し、光量は自分より小さいもの）
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21電子で観測された事象のパルス波形との比較
シンチレーション光による平均パルス波形

チェレンコフ光による平均パルス波形••

電子で観測された事象の波形と比較すると、シンチレーション光の平均パルス波形よりもチェレンコフ光の平均パルス波
形の方が比較的良く一致している
若干立ち下がり部分が合わない（遅い）。→電子とミューオンの違い？
アニソールで観測された電子のパルス波形は、チェレンコフ光によるものと考えられる。

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22Transparency of UV filter
90%

50%

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23Neutrinoless double beta decay[T1/20ν(0+ ->0+)]-1 =G0ν(E0,Z)|M0ν|2<mν>2 /me2
T1/2~a(Mt/∆E・B)1/2

a: abundance

M: target masst: measuring time ∆E: energy resolution B: BG rate

Requirement : Low BG, Large target mass, High E-resolution
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Decay branch of Thallium-208

The vertex reconstructed byscintillation make it within
fiducial volume due to misfitting of gammas.
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Physical constants of Liquid Scintillator

LY of NaI(Tl) : 4×104 photon/MeV日本物理学会 第74回年次大会

LY of BC505 : 1.2×104 photon/MeV
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Recovering the light yield
Measured at several conditions of PPO concentration
5wt.% PPO helps
actually recovering thescintillation light yield.

48.7±7.1% light yield
to standard cocktail
was obtained at
10wt.% concentration.
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Property of Cherenkov light Refractive index of anisole : n=1.518
 Cherenkov angle is determined bycosθ= 1/n’β (Ee>0.7MeV) n’>n
 Assuming 1.65MeV electron, then
β=0.972 and Cherenkov angel θ=47.3
degree are expected.
 Number of Cherenkov photon :100 photon/MeV (400nm – 600nm)

c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
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