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XVII～HUNI-ZICOSを用いたチェレンコフ光の位相幾何学情報の測定～
日本物理学会 第76回年次大会

2021年3月13日

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas
19H05093 and 20H05241
Scientific Research (C) 18K03664

Miyagi University of Education

Y. Fukuda, Narengerile, A. Obata,Y. Kamei, D. Anzai

Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo S. Moriyama, K. Hiraide
Fukui University I. Ogawa
Tokyo University of Science T. Gunji, S. Tsukada, R. Hayami
Institute for Materials Research, Tohoku University S. Kurosawa

Discrimination of signal and BG
0νββ evente-Reconstructed vertex byescintillation light

β decay
2.6MeV γ
Reconstructed vertex
by Cherenkov light
Balloon or
surface ofdetector
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2Topological info : averaged angle
Average directione- = Σ didi θi

Averagedangle= Σ θi
Nhit

Average angle with respect to averaged direction
for single electron seems to have a peak at 48
degree which is almost same as Cherenkov angle.
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3BG reduction using topological information
Simulated by EGS5

Simulated by EGS578%
remainVertex position
Double beta decay event sample
Simulated by EGS593%
cut

Topological information from
PMT position which received
PMT hit pattern of 208Tl BG and Cherenkov lights could be
used for reduction of 208Tl BG.
0νββ signal
Vertex position

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4Measurement of topological information(averaged angle) using HUNI-ZICOS

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53/8” photomultiplier H3164-12(R1635)

 Sensitivity：４００K
 Dynode type : Line focus/8dynode Applied voltage：125０V
 Gain：1.0×106 Dark current: 50nA
 Time characteristics：0.5ns(TTS) 0.8ns（rise time）
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6Hemisphere flask and PMT mounting jig for
HUNI-ZICOS Extension sharpening for hemisphere flask.
 Some extensions for PMT hole.
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7Mounting PMTs on jig for hemisphere flask

 Total 26 H3164-12 PMTs were used for HUNI-ZICOS.
 No PMT at center of hexagon location.
 Light shield was necessary for Nylon.
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8Setting hemisphere flask to jig and locate
on supporting stand HUNI-ZICOS was putted on flask clip and the chimney waspinched by clamp.
 Entered gamma was scattered at center position of jig (nothemisphere flask).
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9Cable connection to FADC and HV
LeCroy 1182 ADC

Need V1751 8ch

Problem : MCX cables wereconnected only half channel
due to lager thickness!

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Check V1742 sampling waveform• Sampling frequency ofV1742 was set as
5GS/s (fastest mode)• Sampling frequency ofV1751 was set as
1GS/s due to 8chread.(No DES mode)• Waveform of same
Cherenkov pulse wascompletely same shape.
• Detailed pulse structure
analysis is available
using V1742.
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11Measurement of averaged angle using 90Sr

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12Measurement of averaged angle using 90Sr
PMT#1 selftriggerObserved averaged angle
seems to be clusteredaround expected value.
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Measurement of averaged angle using 90Sr

Ring likestructure inhitmap for
Csum >1000.
Need morecheck.
No cluster(nor noevent) was
found forother PMT
which
connected
to V1751.

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14Electron with fixed direction and fixedenergy using 88Y gamma source• Compton scatteringwith fixed direction
generate fixed
direction and fixedenergy electron.
• Compton angle 100
degree corresponds
to 352keV γ and1.484MeV electron.
• Cherenkov angle is47 degree.
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15Trigger logic for data taking using 88Y

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16Calibration for La-GPS scintillator• It is difficult to take all
triggers due to V1742
access speed.
• Threshold was set
around 200keV.
• Data taking is going on.
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17Summary•••••••

HUNI-ZICOS for measurement of topological informationusing actual ~1MeV electron was done.
Total 26 3/8” photomultipliers (Hamamatsu H3164-12), CAEN
V1742 digitizer and AG7030SN HV were prepared.
PMT supporting jig was designed by truncated icosahedronand produced by 3D printer using Nylon.
Prepared MCX cable had a thicker socket than pitch of
V1742 input channel. Only half of PMT was connected.
Measurement of averaged angle using 90Sr was done andobtained value looks expected value. Need careful check.
Measurement of averaged angle using fixed direction andfixed energy using88Y is going on.
We will confirm that averaged angle of Cherenkov light from
~1MeV electron should be around 47 degree soon.
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Backup slides

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Measurement of averaged angle using 90Sr

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20Conceptual design of ZICOS detector
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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Neutrinoless double beta decay[T1/20ν]-1 =G0ν(E0,Z)|M0ν|2<mββ>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, Good E-resolution
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22Flash ADC V1742 and PMT HV system

Both CAEN HV AG7030SNand FADC V1742 32ch(5Gs/s!) were checked andready for the measurement.
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23ZICOS experiment for neutrinoless double
beta decay using 96Zr
Liquid Scintillator：(1) 10 wt.% Zr(iprac)4 loaded in
Liquid Scintillator(2) 3~4% at 3.35MeV of energy
resolution with 64% photo
coverage and long attenuation
length.

3.5m

Pure water surrounding innerdetector in order to veto muons andexternal backgrounds.
Inner detector with ~64% photo
coverage 20” PMT including 1.7ton
Zirconium loaded 113 tons LS in
fiducial volume. (Total vol. : 180
tons)
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10m10mPurpose:① Direct measurement of 0νββ② Confirm parameter of nuclear
matrix element model
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Liquid Scintillator solving Zr(iPrac)4Zr(CH3COCHCOOCH(CH3)2)4= Zr(iPrac)4mw : 663.87Zr(iprac)4 2242mg, PPO
999mg and POPOP 10mg
solved in 20mL Anisole> 70g/L of Zirconium could be solved in anisole.
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Decay scheme of 208Tｌ

The vertex position reconstructedby scintillation might be withinfiducial volume due to gammas.
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Pulse shape of Cherenkov and scintillation• Pulse shape of 90Sr using
H2431-50 measured by
V1751 with DES mode(2GS/s)• Decay time of scintillation :4.57ns and 8.38ns• Rise time of scintillation :1.45ns• Rise time of Cherenkov :0.75nsUse the charge ratio Qtime/Qtotal. Here, Qtimeis FADC
value in each time, and Qtotalis sum of FADC value
between 55ns and 80ns.
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27Verification of 208Tl BG reduction• Direct measurement using βγ events by UNI-ZICOS

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Measurement of T2ν1/2 for 96Zr using ZICOS-I• First physics program to measure T2ν1/2 for 96Zr

・20cm diameter flask
using Ultra-pure quartz
and 30 low ＢＧ 2” PMT
R3378-50 (R2083)
・Synthesis Zr(iPrac)4300g which corresponds
to 96Zr isotope1g
・According to NEMO-3
result, expect 200 2νββevents/year
・Location: Kamioka mine
Stay tuned!

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Property of Cherenkov light Refractive index of anisole : n=1.518
 Cherenkov angle is determined bycosθ= 1/nβ Assuming 1.65MeV electron, then
β=0.972 and Cherenkov angel θ=47.3
degree are expected.
 Cherenkov light should be measured.
(400nm – 600nm : 100 photon/MeV )c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
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