カムランド禅の最新結果と現状
東北大学ニュートリノ科学センター
大谷 将士
京都大学高エネルギーセミナー
2013/3/15

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5.

イントロダクション(νと0νββ)
カムランド禅実験
0νββ測定結果
現状
展望とまとめ1ニュートリノ
素粒子の質量• ニュートリノをめぐる謎– 質量=?
– 粒子=反粒子(マヨラナ)?

0νββ探索で解明!

– クォークと全く異なる混合なのは何故?
– CP非保存?
– 3種類+α?

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二重β崩壊(2νββ&0νββ)
原子質量• ある種の原子核
 β崩壊
 ββ崩壊136Xe54




136Cs
55

136Ba
56

原子番号Z• ニュートリノがマヨラナで質量があれば0νββが可能(T1/2∝1/<m>2)電子の合計エネルギーで2νββ/0νββを識別

2νββdd0νββueνeνeeudueマヨラナ×質量項deu
30νββ探索の背景
1.

ニュートリノ振動の精密測定結果
宇宙観測過去の0νββ実験(KKDCクレイム)
柳田予想@Neutrino2012→そろそろ0νββ発見…かも。

2. 宇宙創成の謎が解き明かされる…かも。

上限値(2012)

宇宙
柳田予想
観測

右巻きνのCP非保存崩壊→レプトジェネシス??

0νββ探索は今最も重要な実験の1つ

40νββ探索実験カムランド禅

5カムランド検出器• 1kton液体シンチレーター検出器@神岡鉱山地下1km• PMTヒット数でトリガー→>~0.2MeV(Q0νββ=2.5MeV)のデータ取得• 極低放射線環境: 238U~10-18g/g, 232Th~10-17g/g
外部検出器
・純水
・20inch PMT x 225

20m

18m

18m

内部検出器
・ミネラルオイル
・20inch PMT x 554+ 17inch PMT x 1325
検出領域
・液体シンチレーター
6・13mΦ

カムランド禅実験• 0νββ崩壊核136Xe入り液体シンチレーターを封入したミニバルーン(Φ=3.08m)を検出領域に導入確立した極低放射線環境,大量(300kg)の0νββ崩壊核 (過去の実験~10kg) → 高S/N
容易にXe溶解・脱気 → シグナル検証が可能

Xe液シンinミニバルーン

実験開始前の感度見積もり

目標: ~60meVまで0νββを探索

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0νββシグナル&バックグラウンド
ヒットPMT
波形データ

電荷&タイミング

エネルギー
&反応点

0νββイベント・2.46MeVピーク
・Xe液シンに一様分布

予想エネルギー分布<mββ>=150meV

イベント選択2νββイベント・2.46MeVを終点とした連続分布・分解能の6乗程度で0ν領域に侵入
214Bi(238U系列)

10C

・液シン主成分12Cの宇宙線核破砕
・宇宙線後VETO or/and
同時発生する中性子でタグ・214Bi→212Po(6.2MeVα)による遅延同時測定で除去
・ミニバルーン由来→遅延同時+FVカット
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エネルギーキャリブレーション•208Tl (2.6MeV γ) @ near the mini inner baloon

MIB

208Tl source

σE=6.6%/√E(MeV)• 214Bi (Qβ=3.27, β+γ’s) from initial contamination
222Rn

3.824
day214Bi

3.27MeV 214Po

210Pb

7.69MeV α

19.9m

164.3μs

22.3 yr90νββ測定結果
10st1 Result• 2012年1月に初の結果を発表• 77.6日分、27.4kg・yrデータ

エネルギー分布イベント選択1. 1.2m FVカット
2. 宇宙線後2msec VETO
3. 遅延同時測定によるBi-Po除去
4. 原子炉ニュートリノ除去
5. エネルギー・位置再構成時のバッドネスによるノイズカット
2.6MeVに予期せぬBG
データベース検索から候補は4つ

Q0νββ=2.46MeV110mAg

Q=3.01MeV β-τ=360d88YQ=3.62MeV EC

τ=154d208Bi

Q=2.88MeV EC

τ=5.31yr

60Co

Q=2.82MeV β-Τ=7.61yr11

st1 Result• 予期せぬBGも考慮して2νββ, 0νββレートを算出。

フィット結果
解析方法:
エネルギー分布をΧ2フィット• バルーンBG, 核破砕イベントは実測値より制限• 2νββ,0νββはフリー• 2.6MeV付近のBG(110mAg, 88Y…)
もフリー
T2ν1/2=(2.38±0.02±0.14) × 1021 yr, T0ν1/2>5.7 × 1024 yr
世界最高レベルの2νββ測定・0ν探索
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最新結果
• 2012/11に~2012/6/14のデータ解析結果を発表(1st resultからの改善点– exposure 27.4kg-yr → 89.5kg-yr(Live time: 77.6 days → 213.4 days,
バルーンBG分布からフィット結果
FVを最適化: 1.2m → 1.35m)– バルーンBGの精密評価

世界最高感度で0νββを探索: T0ν1/2 > 1.9 x 1025yr

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最新結果 ~cont’d• EXO-200最新結果と組み合わせてKKDCクレイムを検証• Xe TPCによる0νββ探索
γ/β 粒子識別…

カムランド禅と同程度まで探索
T0ν1/2 > 1.6 x 1025yr• Ge半導体検出器による0νββ探索• 一部メンバーが0νββ発見を主張

BG評価に誤り?
別実験による検証が必要
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最新結果 ~cont’d•

136Xeと76Geの結果比較には理論計算で求めた核行列要素が必要

主要な全理論について結果を比較。
20𝜈 −12𝑇1/2= 𝐺𝑀 𝑚𝛽𝛽<mββ> :ニュートリノ有効質量
G :Phase space
M :核行列要素
理論毎に数十%の違い

KKDCクレイムを97.5% CLで排除
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現状162.6MeV付近のバックグラウンド• データベース検索
エネルギー分布
崩壊定数

エネルギー分布の比較

110mAgと同定(混入経路は輸送中のXe核破砕もしくは福島原発由来)

崩壊定数

さらなる感度向上には110mAg除去が不可欠
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スケジュール•

110mAg除去のために2つのキャンペーンを実施

2013

2012
123456789101112

1

3rd paper(最新結果)
2nd paper

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Xe蒸留 & 液シン入替え
・Xe蒸留 (XMASS装置を拝借)
・ゲッター&フィルターによる不純物除去

Xe

Xe脱気液シン入替え
110mAg除去

Xe溶解

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結果
2.6 MeV付近のイベントレート

Xe脱気液シン入替え

最新結果のデータ
変化ナシ~1/4に減少

・2.6MeVバックグラウンドはXe由来でないことを確認
・液シン入替えによって110mAgが~1/4に低減
しかし、この程度では不十分(目標~1/100)20

液シン蒸留循環• Xe溶解を延期して、液シン蒸留循環作戦をスタート:液シンを蒸留しながら入替えて110mAgを(~1/4)nに低減

…
液シン
蒸留

蒸留

蒸留

~1/100低減に必要な3~4循環に要する期間 ~ 2か月

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火災発生
• 循環2順目開始直後の11/20に蒸留エリア付近で火災発生(エリア付近の装置解体中の事故)
11/21日経
11/21毎日• 現地の適切な判断により最小限の被害で済んだ– けが人はほぼなし(軽微なやけど程度)– 検出器本体に直接の影響は無し• が、蒸留エリア関連機器(電源ラインなど)が損傷

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火災当時の写真など
火災現場

焼失ケーブル
トイレも真っ黒

煙熱による損傷
SK, XMASS

排気方向

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復旧作業
地道な掃除

機器の点検

火災現場も復旧(蒸留エリアはまだ)

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復旧までのスケジュール• 作業工程計画を元に復旧に向けて作業が進行中。
• 2013年7月以降に液シン蒸留を再開。
結局、実験としては半年+αの遅れ。
• 110mAgが1/100に低減すれば<半年の測定で単独でKKDCクレイムを排除可能

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今後の展望Need detector
upgrade to cover
inverted region.

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KamLAND 2 ZENにむけたR&D
・PMT集光ミラー開発⇒2νββ BG低減

・発光性バルーン新素材の開発⇒バルーンBGの低減

M2 小畑

B4 小原

・新エレキによる10C除去に向けたstudy
新エレキ

旧エレキ

200usec・New LS・Camera
・OD PMT upgrade
・ID PMT upgrade …

0usec
M2 大木

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まとめ
• 0νββ探索はニュートリノ質量・マヨラナ性を解明する、今最も重要な実験の一つである。
• カムランド禅実験は0νββ探索実験で、世界最高感度の結果(<mββ> < 120-250meV)を発表した。
• 更なる感度向上には110mAg除去が必須。除去作業中に火災事故があったが、半年+αくらいの遅れで再開できそう• 逆階層領域探索に向けたR&Dも進行中

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Backup29

僕のお仕事• 新エレキ(MoGURA)のデータ解析・性能評価
Vertex distribution with source
calibration data

Evis. VS vertex resolutionCsGeCo

解析アルゴリズムの改良→現行エレキと同程度の性能を証明• 検出器の安定性をチェック– PMTについて問題を早期に発見し、解決に向けて奮闘中。

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BackuparXiv:1301.2901v1 J.J.Gomez etc
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Backup32

Backup33

Backup34