徹底した放射性背景事象除去による最高感度マヨラナニュートリノ探索への挑戦
Highly sensitive search for Majorana neutrinos
with intensive radioactive background rejection（個人推薦）

代表研究者

協同研究者

東北大学 学際科学フロンティア研究所

小原脩平

Frontier Research Institute for Interdisciplinary Science, Tohoku University

Shuhei OBARA

東北大学 ニュートリノ科学研究センター

清水格

東北大学 ニュートリノ科学研究センター

池田晴雄

東北大学 ニュートリノ科学研究センター

丸藤祐仁

Research Center for Neutrino Science, Tohoku University

Itaru SHIMIZU

Research Center for Neutrino Science, Tohoku University

Haruo IKEDA

Research Center for Neutrino Science, Tohoku University

Yoshihito GANDO

Majorana nature of neutrinos (𝜈𝜈 = 𝜈𝜈 𝐶𝐶 ) has an important role to reveal the neutrino mass mechanism and supporting

the matter dominant universe. Various experiments have searched for the evidence via neutrino-less double-beta decay(0vbb), but still not been observed yet due to the remaining radioactive backgrounds. The KamLAND-Zen experiment, aleading project of 0vbb search, is also limited by the radioactivity, especially contamination on the surface of a nylonmade balloon (one of the inner detector vessels). We newly developed a polyethylene naphthalate (PEN) based balloon.
It has a sensitivity to radioactivity via scintillation emission and could reduce 99.7% of backgrounds for 0vbb. In thisstudy, we established the fabrication techniques of the PEN-based balloon vessel, improved the background rejection
capability with pulse-shape discrimination, and started to proto-type test at the Kamioka mine, Gifu, Japan. In addition,
the current running phase of the KamLAND-Zen 800 released a new result on the 0vbb search. This is the most restricted
lower limit on the half-life of 0vbb decay, however, the radioactive backgrounds on the nylon remain. In the future upgrade
program, so-called KamAND2, it is expected most of their background would be rejected by introducing our developed
PEN balloon.

研究目的をとらえたことで、質量をもつことが明らかになっ本研究では、いまだ解明されていないニュートリた。しかしながらニュートリノが自身の反粒子と同ノのマヨラナ性の検証を最終目的として、国際共同一であるという性質(マヨラナ性, 𝜈𝜈 = 𝜈𝜈 𝐶𝐶 )を持つか実験で世界最先端を走っている KamLAND-Zen 実験に新しい検出器(発光性バルーン)を新規導入するこどうかが未だ明らかになっていない。この問題を解決するために唯一現実的な実験的検証方法がニューとで、徹底した背景事象除去およびさらなる高感度トリノを伴わない二重ベータ崩壊(0vbb)の探索であ化に挑戦する。

る。0vbb が見つかれば、それはニュートリノがマヨニュートリノは近年の日本人ノーベル物理学賞受

ラナ性を持つことの証明になり、またこの性質があ賞にもあったように、ニュートリノ振動という現象ることで現在の物質優勢宇宙の成り立ちにおいてニュートリノが重要な役割を果たしたことがわかる。

ゴアを熱溶着にて接着して成型するが、かなり薄い

さらに 0vbb 信号探索の過程においてニュートリノフィルムのためピンホールが存在してしまう。これの質量機構の解明にもつながる。の補修のため、従来のナイロンフィルムではアロン

0vbb 信号は世界中で精力的に探索されているもの

アルフア等の瞬間接着剤にてパッチを当てていたが、の未発見であり、現在は KamLAND-Zen 実験がそのPEN では瞬間接着剤の類では接着ができなかった。

崩壊寿命に対して厳しい制限を与えている[1]。ここ

これについては、温度調整機能付きの半田ごての先で感度を制限しているのは、検出器中心部にあり端を用いてピンポイントで簡易的に熱溶着すること0vbb 崩壊を起こす原子核 136Xe を保持しているナイで補修が可能であるとの見通しを得た。加熱温度はロンフィルム製バルーン(25 𝜇𝜇m 厚、直径約 2 m)の表

最大でも約 237℃であり、十分半田ごてで対応可能までは低減できるが、我々の目指す 0vbb 発見のため不純物の付着・含有を防ぐ面でも非常に好ましい。にはさらに減らす必要がある。

接着剤の選定も並行して進めたが、接着までに乾燥面や素材内部に付着している放射性不純物である。

な範囲であることが幸いした。接着剤と違いフィル

これはすでに徹底的に洗浄することでΟ(10−12 ) g/g

ム以外の不要な追加素材を使わずに済むため放射性フィルムの洗浄や原料見直しで低減できる放射性時間が１日程度必要で、実際の作業手順・必要日数物質除去には限界があるため、新たにバルーン自体を考えるとあまり現実的とは言えなかった。さらにに発光性能をもたせることを提案した[2,3]。ポリエ

熱溶着の際には(1)237℃まで昇温し(2)3.5 秒間キーチレンナフタレート(PEN)をバルーンフィルム材料

プ(3)加熱を切り 80℃まで冷却という過程を辿るが、として採用する。これにより放射線があった場合に作業室内の温度、特に湿度によって最適なパラメー自己発光することで信号と背景事象を分離することタが微妙に変わることが経験的にわかっていた。こが可能になり、この不純物由来の背景事象を 99.7%れはフィルム中に含まれる水分量に依存すると予想除去できる見通しである。本研究ではこの発光性バしており、水分の増減によって加熱時の気泡のできルーンのテストサイズ作成のための技術確立を行い、 やすさが異なり、ひいてはピンホールリークの原因
将来的に KamLAND-Zen 実験に導入した際に確実にとなりうる。部屋の湿度とフィルム水分量、溶着パ背景事象除去ができるようにするものである。

ラメータの相関を明らかにすれば、作業時の湿度から溶着パラメータの微調整が可能になると思われた。

研究経過

雨天時・晴天時で PEN フィルム中に含まれる水分量

KamLAND 検出器内部へ導入する際には、開口部を測定比較したが、雨天時にすぐに水分量が上昇すが狭くなっているために傘のように折り畳んで検出るというよりもややゆっくりと上昇し、またややゆ器内部へ入れ、その後膨らませる必要がある(Fig.1)。

っくりと減少していく傾向が見られた。作業日の湿度というよりは 1 週間以上の長期的な天候に依存することがわかり、湿度と溶着パラメータの微調整は自明ではなかった。実際に熱溶着作業を行う際には、人間が手で溶着機を抑える必要があり、前後左右均等に一定の力を数秒間キープできるかどうかの人為的誤差による影響の方が大きい場合が多い。ナイロンに比べて融点の高い PEN では比較的加熱しすぎてのピンホールは少ないものの、加熱して溶出、ガラス化の時に若干すべりやすい印象があった。ピンホールについては上述の半田ごてで対応可能であるので、人為的な溶着バラつきを防ぐために練習を繰り返すか、現行の KamLAND-Zen 800 のナイロン製バ

Figure 1

ルーン制作時[4]のように特注で溶着機を設定してこのため薄いフィルムでバルーンを作成し折り畳みいく必要がある。同じ機器を保管しているため再調可能なようにする必要がある。バルーンは計 24 個の整すれば再利用が可能である。

バルーン製造経験のある会社・工場での打ち合わまた今回導入する PEN を用いた場合、素材の吸収せを当初検討していたが、コロナ禍における移動制波長帯が現在の KamLAND の液体シンチレータの発限もあって実現しなかった。一方で打ち合わせを経光波長帯(~375 nm)と被ってしまうため、液体シンチずともバルーン形状までの熱溶着パラメータの選定レータにも改造が必要である。これには波長変換剤と補修方法までを確立できたことは幸いであった。

(bis-MSB, 発光波長 ~420 nm)を導入することで有効

将来的に実際に KamLAND 内部へ導入した際、背な発光波長へシフトさせることができる。シフト後景事象除去を行うためには KamLAND 検出器が本来の波長は光検出器(浜松ホトニクス光電子増倍管)の感度波長帯域に収まっている。現在 KamLAND で保有する蒸留器では bis-MSB を蒸留純化できるほどの高温まで昇温できないため、実機導入前に十分きれいな波長変換剤を選定しておく必要がある。今回いくつかの試料を準備し比較検討を行ったが同じメーカでもロット差があるため、今後詳細を詰めていく予定である。bis-MSB 以外の波長変換剤についての比較検討も行ったが、価格と入手のしやすさ、また液体シンチレータへの溶けやすさの観点から bisMSB が最も現実的であった。

Figure 2KamLAND 検出器内部にバルーンを保持するため、用いている液体シンチレータ(LS)の発光波形と、今上部から固めのホース(コルゲート管、CYLG-95B)で回開発している PEN 製バルーンの発光波形が異なる接続しているが、このホース同士の接続作業時に削ことが重要である。仮に同一波形であった場合にはりカスが発生しやすいことがわかっている。予期しどちらの発光かの見極める必要があり、背景事象除ない不純物混入は感度低下を招くため、これを改善去能力が落ちる。これについては実験室でバイアルするために現在の KamLAND のものとは異なる素材サイズであるがそれぞれの発光スペクトルをα線・や異なる方法での接続を検討した。液体シンチレーβ線に対して測定し比較した。さらに粒子追跡シミタ自体が強い腐食性を示すため、使用可能な素材はュレーション(Geant4)上に KamLAND 検出器を再現限定される。市販の耐油ホース(カナフレックスし、実際に背景事象除去が可能であることを示した

V.S.-C 型耐油性)と配管接続カプラを用いての接続試(Fig. 2, TIPP2021 国際会議での発表資料から再掲)。

験も行ったが、含有放射性不純物量が質量比で現在PEN の発光波形が LS の波形と明らかに異なることのものよりも多く、さらに重量があるため、合計でがわかり、さらに PEN でのα・β線に対する波形もの放射性不純物量が無視できなかった。ICP-MS での違いがみられる。背景事象除去能力に問題ないこと

分析結果はウラン・トリウム・カリウムの含有量がが確認できた。本内容は国際会議 TIPP2021 で報告済それぞれ 0.004, 0.001, 2.4 µg/g であり、要求値を満たみである。後述する地下テストスタンドでの試験でさなかった。使用するホースは従来のままで、接続は PEN 製バルーン内部に液体シンチレータを入れ方法を再検討していく余地はあると考えている。て、実際に放射線による発光をバルーン由来のものKamLAND 検出器のある岐阜県神岡鉱山地下におか液体シンチレータ由来のものか区別できることをいて、将来の KamLAND 検出器のアップグレード実証する予定である。バイアルサイズでの発光波形(KamLAND2)のためのテストスタンドの建設が進んの違いを利用した背景事象除去には、機械学習を使でいる。KamLAND2 では本研究で開発している PEN

わずとも十分な効果が見られたが、実機に近くなるを用いた発光性バルーンのほかに、新たな液体シンほど複雑な要因が絡むためそう単純ではない。ここ

チレータ、新たな量子効率改善型の光検出器、集光で得られたデータをもとにシミュレーションを組みミラーの導入が計画されており、これらの試験を行なおし、また機械学習の教師データとして利用するう予定である。テストスタンドでは第一段階としてことで、本番機導入時の背景事象除去性能を向上さ集光ミラーによって光を効率的に光検出器に集めらせる予定である。

れることを実証し、詳細なミラー形状設計へ反映させる。ここへさらに発光性バルーンを導入し、波形フィルムの表面汚染を防ぐ方法は今回の弁別の実証実験を行っていく予定である。現在まで

KamLAND-Zen 800 建設時に確立されており[4]、同にまず地下空洞と実験用タンクの準備、光検出器と様の手法を用いることが可能である。

ミラーの設置が行われている。光ファイバーを中に現行の KamLAND-Zen 800 実験では KamLAND-通しての時間応答キャリブレーションも行い、線源

Zen 400 [1]と同様にナイロン製バルーンを導入してを用いた検出器応答も行う予定である。実際のいるが、徹底したクリーン環境を実現できたことに

KamLAND 検出器と違い約 1/10 程度の大きさではあより放射性不純物がΟ(10−12 ) g/g と、原料中の不純るが、球形状の液体シンチレータとそれを取り囲む光検出器という基本的な構造は再現できているため、実証実験としては十分であると考えられる。

物量のまま、1 年以上におよぶ成型作業中に汚さずに実験開始を迎えることができた[4]。しかし実験領域をすべて使うにはまだ含有放射性不純物量が多く、現行の KamLAND-Zen 実験では約 400 kg のキセノナイロン製バルーン表面に近い領域については解析ンを用いた KamLAND-Zen 400 の結果を受け、崩壊から除外する方針となった。放射線は距離を離すこ核を約 800 kg に増やした KamLAND-Zen 800 実験がとで低減されるがその分だけ実験領域が狭まり、実進んでいる。この測定フェーズではまだ発光性バル効的な 0vbb 崩壊核数が少なくなり、本来可能なはずーンの導入はされておらず、ナイロン製バルーンがの最大限の実験感度までは達成できない。将来的に導入されている。ここでは先に宇宙線が液体シンチ

本研究の発光性バルーンが導入されれば、この表面レータ中の炭素原子核やキセノン原子核をたたいて付近の背景事象が 99.7%除去できることでほぼ全体励起させて起きる放射線を解析的に低減することに積が実験に有効活用できる。宇宙線由来の背景事象成功しており、現在 0vbb 崩壊の半減期に対してが低減されてきているいま、本研究によって導入さ0𝜈𝜈𝑇𝑇1/2> 2.3 × 1026

yr (90%信頼度)と、世界で最も厳しれる発光性バルーンでバルーン由来の背景事象を落い制限を更新している(arXiv:2203.02139)。マヨラナとしていくことが今後のニュートリノマヨラナ性解ニュートリノ有効質量としては 〈𝑚𝑚𝛽𝛽𝛽𝛽 〉 < 36 − 156

明のために重要であることが再確認された。

順番をしているかどうかの検証が可能な範囲に食い参考文献込んできている。今後さらに感度向上を行うことで[1] A.Gando, et.al., PhRvL., 117, 082503 (2016)

もし 3 種のニュートリノ質量の大きさの順番が逆階[2] S.Obara, NIMA, 845, 410 (2017)

層構造であった場合には、0vbb 発見の可能性がある[3] S.Obara, et.al., PTEP, 2019, 7, 073H01 (2019)

領域まで到達したともいえる。これからは、テスト[4] Y.Gando et.al., JInst, 16, 8, 08023 (2021)

meV の上限値を与えており、3 種ニュートリノの質量の大きさの順番についても逆階層構造と呼ばれるスタンドでの発光性バルーンの試験(およびその他のアップグレード項目の性能確認)をクリアしたの
ち、KamLAND-Zen 実験の高感度化のためのアップ研究の発表

グレード(KamLAND2 計画)へ取り組んでいく。

口頭発表
1.

S.Obara et.al., “A study of self-vetoing balloon vessel
fordetectors”,

International

Conference on Technology and Instrumentation in

考察

Particle Physics (TIPP2021), Online, May 24—28,

液体シンチレータに溶かす波長変換剤の純化や、

2021

バルーンと KamLAND 検出器上部をつなぐコルゲー
ト管の放射性物質低減などいくつか課題は残るもの

liquid-scintillator2.

中村陸生, “KamLAND2-Zen: 発光性ミニバルーの、PEN 素材を用いてバルーン形状まで成型する方ンでの背景事象除去に向けた研究開発”, 日本物法はほぼ確立されたと言える。導入後の背景事象除理学会第 76 回年次大会, オンライン, 2021 年 3

去性能は自身の先行研究[2,3]および今回の波形弁別

月 12 日—15 日の結果でほぼ実証され、あとは地下テストスタンドで実際の検出器を想定した試験を控えるのみである。

誌上発表

1.

S.Obara et.al., “A study of self-vetoing balloon vessel

with KamLAND-Zen”, arXiv:2203.02139 [hep-ex]

for liquid-scintillator detectors”, Proceedings in the(2022) (unpublished yet)International

2.

ConferenceonTechnologyand3.

中村陸生, “KamLAND2-Zen における発光性バル

Instrumentation in Particle Physics (TIPP2021)ーンでの波形弁別による 212Bi-212Po 背景事象

(unpublished yet)除去に向けた開発研究”, 東北大学修士論文

S.Abe et.al., “First Search for the Majorana Nature of(2021 年 3 月)

Neutrinoless in the Inverted Mass Ordering Region