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VIII
Supported by Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas 26105502

日本物理学会 2015年秋季大会
2015年9月27日
宮城教育大学教育学部

福田善之、那仁格日楽、小畑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

森山小川

旭*

茂栄
泉

郡司天博、塚田学、速水良平

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

a: abundance

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

Requirement : Low BG, Large target mass, High energyresolution
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

2Zirconium Complex in Organic Liquid
Scintillator for neutrinoless double beta
decay (ZICOS) experiment
Goals for development of LS ：(1) high solubility(2) 3.5% at 3.35MeV of energy
resolution, if ZICOS have PMTs
with 40% photo coverage andlong attenuation length (~10m)

1.5m

Pure water surrounding innerdetector to veto external
backgrounds.
Inner detector with 40% photo
coverage 10” PMT including
Zirconium loaded 14.1 tons LS
日本物理学会 2015年秋季大会

5.0m
5.4m
2015年9月27日

3

Backgrounds around 3.35MeV
Measured by KamLAND-ZenI.Shimizu@Neutrino2014

208Tl β + γ ’s

γ 2.6MeV +① βmax 1.89 MeV+ γ 0.58 MeV(8.45×10-01)② βmax 1.29 MeV+γ 1.09 MeV(3.97×10-03)③ βmax 1.53 MeV+γ 0.86 MeV(1.24×10-01)

0νββ signal region for 96Zr
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

4

Neutrino mass sensitivity of ZICOS experiment
Results from NEMO-3 (96Zr) : T1/20ν > 9.2 ×1021y<mν> 7.2 – 10.8 eV (gA=1.25,gpp=1.11,QRPA)(Ref: M.B.Kauer Doctor thesis for UCL(2010))

Assuming same energy resolution, BG rate andmeasurement time as KamLAND-Zen(T1/20ν > 2.6 ×1025y ) (Ref: I.Shimizu arXiv:1409.0077 (2014))
Mass : 14.1ton

10wt.% Zr(iprac)4 = 1.57ton
includes 216kg of Zirconium= 6.5kg of 96Zr(= 9.2kg of 136Xe = 0.03 ×KL-Zen)

T1/20ν > 4.4 ×1024y ← Not enough for 0νββ search
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

5Neutrino mass sensitivity of ZICOS experiment
1) Zr enrichment
58.5% enrichment of 96Zr (e.g. 57.3% for NEMO-3)
then 96Zr will be 126kg (0.56 times 136Xe 320kg)T1/20ν > 1.9 ×1025y ;<mν> < 0.16 – 0.3 eV (gA=1.25,gpp=1.11,QRPA)
2) Lowering BG ratei.e. < 1/30 ×KL-Zen
T1/20ν > 1.0 ×1026y ;<mν> < 0.04 – 0.09eV
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

6Measurement of backgrounds of LS
1.120MeV Measured by lowBG CsI(214Bi)0.609MeV(214Bi)+0.583MeV(208Tl)1.765MeV(214Bi)
2.204MeV(214Bi)2.615MeV(208Tl)Using subtracted # of events around 2.6MeV and 2.2MeV
214Bi < 4.9x10-20g/g
208Tl < 2.7x10-22 g/g(238U < 6.4x10-6 g/g) (232Th < 7.4x10-7 g/g) (c.f. KL 10-16g/g)
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

7Background reduction
Residual backgrounds as shown in KamLAND-Zen
are 208Tl β decay + γ 2.6MeV+ γ 0.58 MeV/γ 1.09
MeV/γ 0.86 MeV

Need additional technique except energy spectral
shape obtained by scintillation light in order toreduce those backgrounds efficiently.
Can we use Cherenkov light forbackground reduction ?
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

8Property of Cherenkov light Refractive index of anisole : n=1.518
 Cherenkov angle is determined bycosθ= 1/nβ Assuming 1.65MeV electron, then
β=0.951 and Cherenkov angel θ=46.2
degree are expected.
 Cherenkov light should be measured.
(350nm – 550nm : 150-200 photon/MeV )c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

9Light yield of scintillation in anisole

300nm 400nm

Relative scintillation lightyield of anisole is 9.8% tostandard cocktail (due todifference of quantum
efficiency of PMT)日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

10Measurement of Cherenkov light

Geometric light collection efficiency

NaI detector

30deg
60CoBS γ40deg

γ50deg 18.3%

50 degCherenkov
light46deg

60deg

LS

Scattered electron

Comparison of light yields
between SC-37 filter off and on
for anisole LS using backscattering method.
日本物理学会 2015年秋季大会

70deg

80deg

2015年9月27日

11Light yield of Cherenkov lights
90%
SC-37 filter
50%

400nm 500nm 600nm

Cherenkov light yield (>400nm)
Scintillation light yield of std. LS
158.9/0.183/0.95== ~0.026
156.0/0.046/0.098

Consistent with expectation.
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

12

ZICOS proto-type detector
Performance test :• Energy resolution• BG reduction study
using Cherenkov light
Physics goal :• 96Zr : 12g (NEMO-3 :10g) using naturalabundance Zirconium.
• Measure 2νββ half-life.
• Obtain limits beyond
the NEMO-3 results.
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

13Photon yield ratio between Cherenkov
and scintillation lights in one PMT
Photon yield ratio between
Cherenkov light andscintillation light is ~0.2.

It might be useful to identify
PMTs which receive
Cherenkov light, but can notextract those PMTs among
the scintillation light by using
only this information.
日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

14How to extract Cherenkov hits
Emission time
• Cherenkov light : ~3ps
• Scintillation light : ~20ns

Scintillation

Cherenkov

日本物理学会 2015年秋季大会

Using differenceof timing shape,
we can extract
PMTs received
Cherenkov light.
2015年9月27日

15Cherenkov rings calculated by toyMC
MC

日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

16SUMMARY ZICOS sensitivity : T1/20ν > 1.0 ×1026y and <mν> <0.1 eV (gA=1.25,gpp=1.11,QRPA) if we can use58.5% enriched 96Zr and reduce BG at 1/30 ×KamLAND-Zen.

 Cherenkov light was observed and the lightyield is almost 1~2 % of scintillation light.

 ZICOS proto-type is now planning and it will

demonstrate not only good energy resolution
but also establish the background reduction
method using Cherenkov light.

日本物理学会 2015年秋季大会

2015年9月27日

17