低エネルギーニュートリノによる新たな物理特性探索用検出器の開発研究
Research on the development of detectors for the search of new physical properties
by low-energy neutrinos.
（日本物理学会推薦）

代表研究者 日本大学理工学部

小川洋

CST Nihon University

Hiroshi OGAWA

The aim of this study is to develop a low-threshold, low-background proportional counter as a detector to search for
undiscovered exotic interactions as a new physics in low-energy neutrinos. The search for exotic neutrino interactions
seeks to observe neutrino interactions via unknown gauge bosons, such as weak charges and magnetic moments which
the quantities of matter not considered in the Standard Model. A distinctive feature of this research program is thedevelopment of new detectors with sensitivity in the low energy region around 1 keV in order to search for new neutrino
properties. To achieve this, three factors are important: (i) the detector must be placed in the vicinity of reactor neutrinos
to earn neutrino flux, (ii) it must have a low threshold, as events are expected to increase in the low-energy region, and(iii) it must have a low background. In this application, an evaluation of the performance of proportional counters to meetthese three factors will be carried out.

研究目的

-ニュートリノの磁気能率：SM の質量なしニュ

本研究の目的は、低エネルギーニュートリノにおートリノは、磁気モーメントを持たない。しかける新たな物理として、未発見であるニュートリノし、SM を最小に拡張した場合，ニュートリノ物性や相互作用を探索するための検出器を開発するが質量を持つディラックニュートリノとして、ことであり、手法として低閾値・低バックグラウン有限のニュートリノ磁気モーメントが O(10-ドの比例計数管を採用する。

19)μB 程度と予想される。そのような小さなニ

日本の XMASS 実験では、2020 年に、太陽ニューュートリノ磁気モーメントを実験的に検出すトリノによるニュートリノ・電子散乱におけるエキることは，現在のところ不可能である。しかし，ゾチックな相互作用の探索結果を発表した[1]。ニュ

SM 理論の別の拡張では，現在観測可能なレベートリノのエキゾチックな相互作用の探索は、ニュルのニュートリノ磁気モーメントを得ること

ートリノに微弱電荷や磁気能率といった、標準理論が許容される。例えば，ニュートリノがでは考慮していない物性がある場合の相互作用や、Majorana 粒子である場合，遷移磁気モーメンダークフォトンといった 未知のゲージボゾンを介

トは，次のような拡張で O(10-12 ∼ 10-10) μB としたニュートリノ相互作用などが候補に挙げられる。

見積もられる。

-ニュートリノの微弱電荷：標準模型（SM）で-ダークフォトン：ニュートリノの質量や暗黒は、ニュートリノの電荷はゼロと仮定されて物質の粒子性など、SM では説明できない未解いる。SM を拡張し、右巻きニュートリノνR

決の問題が数多くあり、SM を超える新しい物の場合，ニュートリノはディラック粒子であ理シナリオが求められている。Dark sector シり，ニュートリノは微弱電荷を持つことを許ナリオはその一つである。このシナリオでは、容される。

ゲージ U(1)B-L 対称性に由来するダークフォト

ンが含まれている可能性があり、ニュートリ

3）低バックグラウンド: できるだけ検出部材が少ノと電子の相互作用に、ダークフォトンを媒なく、シンプルな検出器構造が望まれる。また、検体として影響を与える可能性がある。

出対象を固体結晶ではなく気体とすることで、放射以上のようなニュートリノの物性や、ゲージボゾ性不純物の浄化が容易になる。

ンが存在する場合、ニュートリノと電子の相互作用

比例計数管の難点としては、ターゲットがガスとは、標準理論で期待される弱い相互作用の他に、追なることから、物質量が少なくなることである。そ加の相互作用が発生することが期待され、それに伴のため、本研究では、比例計数管の圧力を大気圧よう電子散乱事象は、keV 領域以下の低エネルギーでりも上げて実施する必要がある。理想的には 1MPa増加すると考えられる。このようなエキゾチックな(~10 気圧)程度が目標となる。

ニュートリノ相互作用の探索は、低閾値、低バック原子炉付近に検出器を置いたニュートリノ実験はグラウンド環境である暗黒物質探索実験が有利であ古くからおこなわれており、有名なのが、1956 年のり、XMASS 実験の結果はその先駆けとなった。2022

ライネスによるニュートリノの発見である。ニュー

年には、イタリア・グランサッソで実施されているトリノの物性研究としては、GEMMA 実験によるニXENONnT 実験による電子散乱事象解析結果で、ニュートリノの微弱電荷、磁気能率探索が挙げられる。

ュートリノの磁気能率の上限について 6.4×10-12μB

極低放射能比例計数管によるガス中放射能の測定に(Bohr magneton)という、極めて強い制限を付けた[2]。

関 し て は 、 PNNL (Pacific Northwest National

XMASS 実験や、XENONnT 実験は、地下に設置されLaboratory) における先行研究がある[3] 。これは主た暗黒物質探索検出器であるという性質上、ニューにアルゴンガス中の同位体 37Ar の含有量を求める為トリノ源として太陽ニュートリノを想定した探索にのものとなっている [4]。また、アルゴンをキャリアなっている。本研究では、低エネルギーニュートリガスとした、ガス中のラドンを比例計数管で観測す

ノにおけるこのような相互作用を探索するために、る手法も実施されている[5]。本研究では、同等の性ニュートリノフラックスが多い原子炉近傍での観測能が期待される比例計数管により、ニュートリノのを目標とする。また、検出器手法としては、比例計物理特性研究という新しい研究を実施することを目数管を採用する。

指す。到達感度としては、ニュートリノ磁気能率にその理由はとして、以下の 3 つの要素を満たすことおいて、10-12μB オーダーという、世界最高レベルのであるからである

感度と、ダークフォトンの質量とニュートリノとの

1) ニュートリノ・フラックス： ニュートリノのフラックスについては、原子炉からのニュートリノを結合についての新たな制限を付けることが可能な性能を目指す。

想定すると、MW と L～15m では太陽ニュートリノ

本助成研究においては、プロトタイプの比例計数の約 400 倍のフラックス量が予想され、原子炉を停管検出器と周辺セットアップを製作し、X 線などに止させればバックグラウンド事象率を直接知ることができる。図１が、原子炉近傍でのニュートリノ測定のイメージとなる。原子炉の近くに検出器を設置することができれば、太陽ニュートリノによる観測よりも高感度で測定することができる。原子炉の近くに設置するためには、できるだけ数 m 以下の小型でシンプルな検出器が望まれる。
2）閾値が低いこと： エキゾチックな相互作用による事象は、エネルギーが低いほど期待される事象数が多くなる。そのため、感度を向上させるためには、閾値が低いほど有利になる。本研究では、検出器を液体ではなくガスにし、ガスによる信号増幅率を稼ぎ、発生した電離をすべて信号情報として利用することで、1keV 付近の閾値を目指す。

図 1: Image of neutrino measurements in thevicinity of a nuclear reactor.

対するレスポンスやバックグラウンドを測定し、将の純化が可能である。本比例計数管には、カプトン来的な検出器製作における基本データを取る。そのシートによる線源照射窓がついており、外部から X上で、本研究用検出器のデザインについても考察を線の照射が可能となっている。

する。

まず、X 線に対するレスポンスを、55Fe 線源を用い研究経過て測定した結果を図 3 に示す。
この時の HV は 1600V

本研究の実験は 2 種類の検出器による測定で実施であり、ガス圧力は 1 気圧である。この結果、5.9keVされた。一つ目は、低エネルギーX 線を外部から照の X 線がはっきりと観測でき、エネルギー分解能は射可能な小型の比例計数管であり、本助成研究によ9.7%となった。また、小さいチェンネルではアルゴって製作した。二つ目が、日本大学理工学部で所有

ンの励起 X 線のエスケープピークが観測され、1keVしている 8L の大型比例計数管で、ガス中のラドンの付近の事象について感度があることが明らかになっ計測とバックグラウンドの評価を行った。結果につた。

いてそれぞれ以下に述べる。
１）小型の比例計数管による測定
まず、小型の比例計数管によって、X 線に対するレスポンスを測定する。またこのセットアップでは、比例計数管を鉛のシールドで覆い、シールドの上下を宇宙線ミューオンが同定できるプラスティックシンチレーターを設置することで、本研究における測定器のプロトタイプとして機能できる。図２に、小型比例計数管のセットアップを示す。比例計数管の図 3:channel distribution from 55Fe X-ray

本体は、Φ4cm×L40cm の SUS 製となっており、内次に、X 線線源として再び 55Fe を用い、ガスの圧力部に PL-10(アルゴン 90%,CH4 10%)を充填することと印加電圧を変えて、相対的なガス増幅率を調べたができる。フィードスルーを通して、比例計数管か結果を図 4 に示す。残念ながら、カプトンシートのらの信号を取り出すことができ、プリアンプ、リニ強度の問題もあり、加圧は 1.5 気圧までとした。そのアアンプで増幅し、PHA (peak hold ADC)と PC でデ結果、1 気圧、1.5 気圧の場合について、印加電圧とータを取得する。また、PL-10 ガスは、ガスライン及増幅率に相関がみられた。この相関は増幅率の比例

び循環ポンプで循環させ、フィルターを通してガス計数管構造、ガス種、ガス圧力、印加電圧依存を示した Diethorn の式[6]に従う。

図 2: The setup of the small proportional

図 4: relative gain in the supplied voltagecounter.

and gas pressure.

次に、小型比例計数管のバックグラウンド事象を観ガス中にラジウムセラミックボールをラドン源とし測した。ガスの純度を保つため、ガスを循環しながて、ラドンを導入した。また、バックグラウンド事ら、公募者が開発したゼオライトでガス純化した。

象の分布も測定した。その結果をそれぞれ図 6（右これにより、ガスの純度が下がることなく、今日機上）、図 6(右下)に示す。まず、ラドンを導入したデ関の安定した測定が可能となった。図 5 にバックグータでは、ラドン自身、及びその娘核である 222Rn,ラウンドのエネルギー分布を示す。エネルギーは

218

1000ch でおよそ 10keV となる。青がすべての事象、測できた。このカウント数と、ラドン量から見積も赤がプラスティックシンチレーターで観測されたミった 222Rn の検出効率は 27.4+/-0.4 count/day/mBq @ューオンと同期した事象である。10keV 付近までに8L volume となる。また、バックグラウンドのデータ外部由来と考えられるバックグラウンド事象が観測より見積もられた 222Rn のバックグラウンドは、された（10keV 付近のピークは、MCA の saturation に0.84+/-0.13mBq @ 8L volume となることが分かった。

由来している）。

考察

Po, 214Po の崩壊によるα線ピークがはっきりと観二種類の比例計数管の性能特性の測定結果を実施した。
小型の比例計数管による測定においては、55Fe からの X 線を観測することができ、O(keV)の事象測定が可能であることが分かった。また、相対増幅率のガス圧依存も測定した。本研究では、1.5 気圧までの加圧であったが、増幅率を印加電圧の相関を観測で

図 5: background event spectrum (blue) withきた。今後さらにガスを加圧すると同時に印加電圧

muon induced event spectrum (red)for theを上げるためには、電磁ノイズ対策が重要となる。
特にプリアンプへの対策が不十分だと、ガス圧 1atm

proportional counter.

でも 55Fe からの X 線が電磁ノイズにかぶってしま

２）大型の比例計数管による測定う。本研究では、プリアンプ内配線をなるべくシー次に、日本大学理工学部が所有する大型の比例計数管による測定結果を報告する。比例計数管は、Φ
80×L1000mm のサイズで、図 6（左）のように、こちらもガスの循環ラインとつないである。ただ、鉛シールドや宇宙線ミューオンの同定はできない。エネルギー較正は、放射性ラドンガスからのα線をエネルギー較正として使用する。このα線は 5MeV 以上であることから、低エネルギーにおける特性評価ではない。比例計数管に 1 気圧のアルゴンを充填し、ルドするなどの対策を実施した。
バックグラウンドとしては、環境からのバックグラウンドが主であり、宇宙線ミューオンの寄与は少ない。今後は、鉛シールドの増強（低 RI の鉛・無酸素銅など）で環境のγ線対策をする。また、ポリエ
チやホウ素を用いたシールドを導入し、環境の高速・熱中性子遮蔽も試みたい。これは、原子炉近くに検出器を置いた場合に、原子炉からの中性子対策にもなる。また、ガス自身の放射性不純物としては、ラドンとその娘核が考えられる。大型比例計数管における 222Rn のバックグラウンドは、0.84+/-0.13mBq @8L volume であった。これは公募者が開発した極低放射能ゼオライトによっての削減が期待される。本研
究測定で得られた知見より、ニュートリノの新たな物理特性探索用検出器の開発に生かしていきたい。
本研究の手法の発展として、ニュートリノの電子図 6: (left) The picture of the large volume

散乱事象の方向を知ることが出来ればさらなるバッ

proportionalcounter

distribution

forradon(right-top)ADC

クグラウンドの削減が可能である。すでに、MUNU

injecteddata.

実験[7]が、原子炉近傍に TPC(time projection chamber)(right-bottom)background distribution.

を置き、電子散乱の方向測定を試みて、ニュートリ

ノの磁気能率の上限を求めているが、閾値が高く

7. Z. Daraktchieva et. al, Phys.Lett.B615:153-（700keV @ 3bar, 200keV@1bar）、感度としては十分

159,2005

でなかった。現在進めている暗黒物質の方向探索実

8. Tomonori Ikeda et.al, PTEP,(2021)

験 NEWAGE [8]では、μ-PIC を用いたより高感度なptab0532101.09921

事象方向測定を目指している。NEWAGE では、閾値が 70keV @ 1bar まで下がっており、さらなる方向感研究の発表度の向上が期待される。

口頭発表
1.

“暗黒物質探索実験用極低放射能ゼオライトの洋、2022 年 9 月、日本物理学

参考文献

性能試験” 小川1. K.Abe et. al, Phys.Lett.B809(2020)135741会 2022 年秋季大会

2. E. Aprile et. al, Phys. Rev. Lett. 129,2.

“暗黒物質探索実験用極低放射能ゼオライトの洋、2022 年 11 月、第 8161805

開発と性能評価” 小川

3. EK Mace et al, Poster in LRT2013

回極低放射能技術研究会-

4. J.Hall et.al. Appl Radiat Isot. 107(201)p187

誌上発表

5. G.Zuzel GZAppl Radiat Isot. 67(2009)p889

1.

6. Glenn F. Knoll, 放射線計測ハンドブック

H.Ogawa, arXiv:2212.01517