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

日本物理学会

第71回年次大会

2016年3月22日
宮城教育大学教育学部 福田 善之、那仁格日楽、小畑 旭*
東京大学宇宙線研究所 森山 茂栄
福井大学工学部 小川 泉
東京理科大学理工学部 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~a(Mt/∆E・B)1/2

a: abundance

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

Requirement : Low BG, Large target mass, High energyresolution
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2016年3月22日

2

ZICOS -Zirconium Complex in Liquid
Scintillator experiment for neutrinolessdouble beta decay
Liquid scintillator ：(1) 10 wt.% Zr(iprac)4 and 5wt.%
PPO solved in PhOMe(2) 3.5% at 3.35MeV of energy
resolution, if 40% photo
coverage of Photomultiplier

1.5m

Pure water surrounding innerdetector to veto and shield fromexternal backgrounds.
Inner detector with 40% photo
coverage 10” PMT including
Zirconium loaded 14.1 tons LS
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5.0m
5.4m
2016年3月22日

3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 (QRPA)
2) Lowering BG ratei.e. < 1/30 ×KL-Zen
T1/20ν > 1.0 ×1026y ;<mν> < 0.04 – 0.09eV
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2016年3月22日

4

ZICOS proto-type detector
Performance :• Energy resolution• BG reduction study
using Cherenkov light
Physics goal :• 96Zr : 10g (same asNEMO-3) using naturalabundance Zirconium.
• T1/2(0νββ) > 1.0 x 1022
years, if no BG wasfound in 200 days’
measurement.
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2016年3月22日

5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.
(400nm – 600nm : 100 photon/MeV )c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
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2016年3月22日6Measurement of Cherenkov light (1)NaI detector

30deg

60Co

γ40degγ50deg50 degCherenkovlight46deg

60deg

LSElectron (~1MeV)

Comparison of light yields
between SC-37 filter off and on
for anisole only LS using backscattering method.
日本物理学会 第71回年次大会

18%

70deg

80deg

2016年3月22日

7Light yield of Cherenkov lights (1)90%SC-37 filter
50%

400nm 500nm 600nm

Cherenkov light yield (λ>400nm)
Scintillation light yield of std. LS
158.9/0.18/0.95== ~0.02
254.9/0.046/0.098
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Consistent with expectation.
2016年3月22日8

Measurement of Cherenkov light (2)30 deg50 degComparison of light yield between thecase of Cherenkov light on and off
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2016年3月22日

9Light yield of Cherenkov lights (2)Cherenkov light yield
Scintillation light yield of std. LS
347/0.18== ~0.03
298/0.046/0.098

Consistent with previous
measurement.

Cherenkov lights should havedirectionality. (not so bad!)
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2016年3月22日

10How to extract Cherenkov signal
Separation of scintillation and Cherenkov lights using
timing shape C.Shaomin et al. arXiv:1511.09339

Cherenkov has a faster peak than scintillation.
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2016年3月22日

11Waveform measurement setup

・CAEN V1721 8 channel 8bit 500MS/s FADC・CAEN V2718 VME-PCI Optical Link Bridge
日本物理学会 第71回年次大会

2016年3月22日

12Stability of material state
Zr(iprac)4 2242mg, PPO 999mg and POPOP 10mg solved in 20mL Anisole.

Feb. 27,2015

Mar. 14, 2016

Keep clear and transparent liquidand found no precipitate.
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2016年3月22日

13

Stability of performance
Light Yield : -10.9%
Energy resolution : -2.9%

Slightly worse, but not bysame condition (no purge,temperature…)

日本物理学会 第70回年次大会

2015年3月21日

14SUMMARY Cherenkov lights from 1MeV electron havedirectionality and the light yield has been
confirmed to be a few % of scintillation.

 Separation of Cherenkov lights from 1MeV electron

will be tested by FADC time profile.

 ZICOS proto-type detector with 30cm diameter isactually planning and it will demonstrate an abilityof background reduction using Cherenkov light,
and try to get a limit of half-life for 0νββ up to 1022years.

 Zr(iprac)4 loaded liquid scintillator is almost stablefor the material state and the performance.

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2016年3月22日

15BACKUP

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2016年3月22日

16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

17

UV sharp cut filter (Fuji films)
90%
80%

50%

400nm
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500nm

600nm

700nm
2016年3月22日

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Physical constants of Liquid Scintillator

LY of NaI(Tl) : 4×104 photon/MeV
日本物理学会 第71回年次大会

LY of BC505 : 1.2×104 photon/MeV
2016年3月22日

19Natural radiative U/Th decay chain

日本物理学会 第71回年次大会

2016年3月22日

20Strategy of background reduction
 No Cherenkov ring
• α-particle and low energy e/γ One Cherenkov ring
• Single radioactive BG and 208Tl decay as described later.
 Multi Cherenkov ring from 208Tl• β (E>0.9MeV) and 2.6MeV γ emit CL.
• 1.09MeV γ also emits CL. (3 ring)• 0.51 MeV, 0.58MeV and 0.86 MeV γ don’t emit CL. (2ring) Ultimate contamination• β (E>0.9MeV) and 2.6MeV γ with low energy γs.

Need consistency of total energy and vertex
position reconstructed by SL and CL.
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2016年3月22日

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