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 XIII
～低エネルギー電子によるチェレンコフ光の波形観測について～
Supported by Grant-in-Aid for Scientific Research (c) 18K03664

日本物理学会 2018年秋季大会
2018年9月14日
宮城教育大学教育学部

福田善之、安齊太亮*、亀井雄斗*、

東京大学宇宙線研究所

森山茂栄、平出克樹

東京理科大学理工学部

郡司天博、塚田福井大学工学部

東北大学金属材料研究所

那仁格日楽＊、小畑小川泉

黒澤俊介

旭*

学、速水良平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 BG0𝜈𝜈> 4 × 1025 yrs → 2 × 1026 yrs → ~1 ×1027yrs
𝑇𝑇1/2

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2018年9月14日

2

チェレンコフ光を用いた背景事象の除去（前々回発表）
Simulated by EGS5

Simulated by EGS578%
維持
Vertex position
Double beta decay event sample
Simulated by EGS5

93%
除去

シミュレーションによると1MeVのelectronから放出するチェレ
208Tl 背景事象と二重ベータ崩壊 ンコフ光を用いれば 208Tl 背景事象が除去可能
事象のPMTヒットパターン
Vertex position

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3

宇宙線ミューオンを用いたパルス波形観測（前回発表）
鉛直入射ミューオン

斜め入射ミューオン

左PMTの光量増加を観測↓
増加分の光量がチェレンコフ光に相当↓
チェレンコフ光の波形を観測
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2018年9月14日

4差し引き前後の左PMTの平均パルス波形（前回発表）••(subtracted)(subtracted)

斜め入射の事象で作成した平均パルス波形から鉛直入射の事象で作成した平均パルス波形を差し引く。
差し引いた平均パルス波形の立ち上がりはシンチレーション光と同程度。立ち下がりは、早いタイミングでは5.4ns、遅いタイミングでは5.0nsであり、シンチレーション光の9.2nsより十分早い。
得られた平均パルス波形はチェレンコフ光によるものであり、チェレンコ
フ光の波形とシンチレーション光の波形とは明らかに異なる。

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5Zrを溶かしたZICOS用液シンによる観測

preliminary

宇宙線ミューオンにより観測された波形とシンチレーション光の波形でχ2計算したところ、鉛直入射と斜め入射では分布が異なっていた。

シンチレーション光中のチェレンコフ光のＩＤが可能だと考えられる。
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6電子事象によるチェレンコフ光の観測••

後方散乱ガンマ線との同期観測から得られた単色（Ee=1.034MeV)
電子を、液シン溶媒のアニソール中に一定方向に発生散乱方向のＰＭＴ側の光量が大きく、対面側のＰＭＴの光量は少ない傾向

SC-37フィルター→観測されるのはチェレンコフ光のみのはず

低エネルギー電子から放射されるチェレンコフ光に方向性が存在する可能性
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7電子によるチェレンコフ光事象の選択

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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8電子によるチェレンコフ光のパルス波形••

単色一定方向電子で観測した平均パルス波形と宇宙線ミューオンによるチェレンコフ光の平均パルス波形は、ほぼ一致している。
立ち下がり時間は3.6ns程度で若干ミューオンより早い。（但し、シンチ光の9.2nsとは明らかに異なる)
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9今後の計画• シンチレーション光とチェレンコフ光とで立ち上がりに違いが見えない。（H6410:2.7nsで決まっている。）→上昇時間が700psのH2431-50を3本新規購入済• 現行のFADC Ｖ１７２１は500MS/s=2ns/binであり、H2431-50を使用しても立ち上がりが分離できない→V1751(2GS/s=0.5ns/bin)を借用済• 現行の60Co線源(1MBq:2007年→250kBq：2018年）
では事象数が少ない。
→10MBqの60Co線源を新規購入済→120mLバイアル（６0％以上の集光率ライトガイドを設計中）• 今年度中に1MeVの電子でＺＩＣＯＳ用液体シンチレータのエネルギー分解能を測定予定
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10物品の準備・光電子増倍管 H2431-50

・高速FADC V1751

・10MBq 60Co 線源

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2018年9月14日

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まとめ
• 後方散乱ガンマ線との同期観測から得られた単色電子を用いて、液シン溶媒中の信号波形を観測した。
• 今回観測された波形は、宇宙線ミューオンを用いた液シン溶媒（アニソール）中のチェレンコフ光の波形とほぼ一致した。
• 立ち下がり時間は3.6nsであり、ミューオンの5nsよりは若干早いが、統計の範囲内では一致。シンチレーション光の立ち下がり時間9nsとは明確に異なる。
• 従って、観測された波形はチェレンコフ光の波形であり、低エネルギー電子によるチェレンコフ光が観測が可能であることがわかった。（しかも、波長は400nm以上）
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2018年9月14日

12まとめのつづき• チェレンコフ光の方向性や立ち上がり等の詳細な波形構造は、高速ＰＭＴ H2431-50や高速ＦＡＤＣ
V1751を用いて高統計で観測予定。（今年度中）
NuDot poster @nu2018

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2018年9月14日

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BACKUP日本物理学会 2018年秋季大会

2018年9月14日

14ブランクによるチェレンコフ光の観測
with anisole
without anisole

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2018年9月14日

15電子により観測されたパルス波形（前回発表）
アニソール（液シン）
Zr を溶解させた液体シンチレータ

Scintillation-like

Cherenkov-like

Cherenkov-like

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今回の発表：パルスの立ち上がり部の光量差の波形とアニソールで観測されたチェレンコフ光と思われる波形と良く似ているが、これが本当か？宇宙線ミューオンを用いてチェレンコフ光のパルス波形を観測する。
2018年9月14日

16標準液体シンチレータを用いた左右PMTの光量
•鉛直入射
右P
M
T

光量の定義：52ns84nsの時間幅内のFADCカウントを積分(但し、パルス波形は常時60nsにピークがくるように設定）

日本物理学会第73回年次大会

•
左PMT

斜め入射

右PM
T

左右PMT両方に光量が観測されている青枠内の事象が液体シンチレータを通過した宇宙線ミューオン。
シンチレーション光の光量はチェレンコフ光の光量の100倍程大きいことがわかっているので、このデータではシンチレーション光が主に観測されていると思われる。

左PMT
2018年3月25日

シンチレーション光による左PMTの平均パルス波形•観測された早いタイミングと遅いタイミングの平均パルス波形は、それぞれ鉛直入射と斜め入射ミューオンの波形が完全に一致（タイミングの早い・遅いはFADCの時間bin幅が2nsであるため、1ns遅れて観測されるパルスが存在するため）

電子によるシンチレーション光の平均パルス波形との比較••

日本物理学会第73回年次大会

2018年3月25日

観測した平均パルス波形の立ち上がり時間は電子とミューオンでほぼ一致。
しかし立ち下がり時間はミューオンの方が電子より長い (早いタイミングで 9.3ns（µ) :7.4ns(e) 遅いタイミングで9.2ns(µ) : 7.6ns (e)) → 粒子の通過時間の違いが原因？ 18

SC-37フィルターを介したアニソールによる左右PMTの光量
•

鉛直入射
•
右PMT

•
左PMT

斜め入射右PMT左PMT
日本物理学会第73回年次大会•

シンチレーション光の影響を少なくする
ため、液シン溶媒のアニソールの周りをUVカットフィルターSC-37で包んで測定。
左右PMT両方に光量が観測されている
青枠内の事象が液体シンチレータを通過した宇宙線ミューオンと思われる。
SC-37フィルターを介して観測している
ため、シンチレーション光はほとんど観測されないはず（だが、完全に０ではなくどれだけ存在するかは不明）
左PMTの光量が鉛直入射に比べ斜め入射の方が光量が大きい（再現性は確認済み）
チェレンコフ光による光量の増加が観測されている。
2018年3月25日

19鉛直・斜め入射ミューオンによる左右PMTの光量差••

宇宙線ミューオンの斜め入射によるデー
タから左PMTの光量増加が確認された。
右PMTの光量については鉛直入射・斜め入射に対し変化は見られなかった。→シンチレーション光の光量があるため？

 チェレンコフ光の方向波形のイメージ性を確認。
 左PMTの斜め入射の光量80~160の平均パルス波形から鉛直入射の光量40~80の平均パルス波形を差し引くと、チェレンコフ光の平均パルス波形になるはず。
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2018年3月25日

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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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2018年9月14日

21Emission and absorption spectra forsolvent and solute in standard cocktail
PPO absorbed mostof emission lights fromanisole.
Effectively the energy
was transferred to thesecondary scintillator.
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2018年9月14日

22Transparency of UV filter
90%50%

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2018年9月14日

23Fall time of scintillation for electron• Templates of FADC timing pulse shape for
scintillation light were obtained for both case.
• Both decay time of scintillation light are same,and it was about 7ns.
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2018年9月14日

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Fall time of scintillation and Cherenkov
Pulse shape ofCherenkov lights
has 5.4ns and
5.0ns of fall timefor early and late
timing, respectively.
They are much
shorter than the falltime of Scintillation(~9.3ns).

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2018年9月14日

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Zr loaded liquid scintillator
2017

2013~2015
2015
Measured on this August.
An energy resolution is obtainedby 2.61±0.14% at 3.35 MeV
assuming 64% photo coverageof the photomultiplier.
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2018年9月14日∆𝐸𝐸= 0.125
𝐸𝐸(𝐸𝐸 = 1.02MeV)

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Neutrino mass sensitivity of ZICOS experiment
Total mass : 180ton (fiducial volume : 113ton)
Measurement time: 2years
10wt.% Zr(iprac)4 = 12.６ton includes 1.7ton ofZirconium= 45 kg of 96Zr (natural abundance 2.6%)
T1/20ν > 4×1025y ← Not enough for 0νββ search1) Zr enrichment
50% enrichment of 96Zr (e.g. 57.3% for NEMO-3)
96Zr will be 865kg then T 0ν > ~2 ×1026y1/22) BG (208Tl ) reduction
BG level < 1/20 ×KL-Zen
then T1/20ν > ~1 ×1027y Today’s talk
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2018年9月14日

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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 rateRequirement : Low BG, Large target mass, High E-resolution
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2018年9月14日

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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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2018年9月14日

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Physical constants of Liquid Scintillator

LY of NaI(Tl) : 4×104 photon/MeV
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LY of BC505 : 1.2×104 photon/MeV
2018年9月14日

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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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2018年9月14日

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