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XVIII～チェレンコフ光の位相幾何学情報の測定とベータ・ガンマ背景事象の除去法の開発～
日本物理学会2021年秋季大会

2021年9月15日

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas
19H05093 and 20H05241
Scientific Research (C) 18K03664
Miyagi University of Education

Y. Fukuda, T.Shimizu, Y.Kamei,Narengeril, A. Obata, D. Anzai

Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo S. Moriyama, K. Hiraide
University of Fukui I. Ogawa
Tokyo University of Science T. Gunji, S. Tsukada, R. Hayami
Institute for Materials Research, Tohoku University S. Kurosawa

Conceptual design of ZICOS detector
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) 082503

0𝜈𝜈
NEMO3 : 𝑇𝑇1/2> 9.1 × 1021 yrs

96Zr : 45 kg (nat.) → 865 kg(50 % enrich)→1/20 BG

0𝜈𝜈
𝑇𝑇1/2> 4 × 1025 yrs → 2 × 1026 yrs → ~1 ×1027yrs

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
XVIII

2021年9月15日

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Discrimination of signal and BG
0νββ event
e-Reconstructed vertex byescintillation light

β decay
2.6 MeV γ
Actual vertex
Balloon or
surface ofdetector
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XVIII

e-2021年9月15日

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BG reduction using topological information
Average direction=- Σ diedi θi

Simulated by EGS578%
remain93%
cut

Averagedangle= Σ θi
Nhit
Topological information (averaged angle) of Cherenkov
lights could be used for reduction of 208Tl backgrounds.
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XVIII

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Direct measurement of topologicalinformation using HUNI-ZICOS

26
45%

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XVIII

2021年9月15日

5Setting hemisphere flask to jig and locate
on supporting stand Total 26 H3164-12 PMTs were used for HUNI-ZICOS In order to remove scintillation light (~300nm), SC-37 filter
was covered around the hemisphere flask
 HUNI-ZICOS was putted on flask clip and the chimney waspinched by clamp.
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XVIII

2021年9月15日

6Electron with fixed direction and fixedenergy using 88Y gamma source• Compton scatteringwith fixed direction
generates fixedenergy electron.
• Compton angle 100
degree corresponds
to 352 keV for
scattered γ and 1.484
MeV for electron.
• Cherenkov angle is47 degree.
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XVIII

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7Measurement of averaged angle using 88Y
La-GPS88Y• Scattering gammas
were detected by wellcalibrated La-GPS
scintillator through thePb collimation.

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XVIII

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8Event selection for scattered electron
Event selection criteria :••••

Number of PMT hit for BG areclustered below 5 hit.
1) Nhit ≧ 5
Total ADC count for BG are
also clustered below 1000.
2) Total ADC count≧1000
Observed energy of scattering
gamma is clustered around352keV.
Due to SC-37 (UV cut) filter,
we observed almost onlyCherenkov light in this time.

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XVIII

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9Measured averaged angle and sumulation•••

Averaged angle measured by HUNIZICOS has a peak at 40 degree. This
is not consistent with the Cherenkov
angle. This is due to PMT geometryof HUNI-ZICOS detector.
Averaged angle obtained by EGS5
simulation of Cherenkov light has apeak at 40 degree. This is consistent
with above measurement.
Averaged angle obtained by EGS5
simulation of scintillation has a peakaround 48 degree. This is quite
different from Cherenkov light.

Verified Cherenkov lights emitted
from 1.484 MeV electron reallykeep their topology.
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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XVIII

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Demonstration of 208Tl BG reduction

SSD for EXT trigger

5045%• Data taking will start in this autumn.
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XVIII

2021年9月15日

11Demonstration of 208Tl BG reduction

SSD for EXT trigger

5045%• Data taking will start in this autumn.
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2021年9月15日

12Status of UNI-ZICOS experimentSi(0.2mm))

Al2O3(0.78mm)• 60Co (100kBq)• 100kBq×0.12%
×2000/10000=24Hz• γ det.eff ~3% =0.7Hz
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13Observation of 2νββ signal using 2ν-ZICOS

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XVIII• 28 cm diameter flask
using Ultra-pure quartz(U/Th < 0.05ng/g) and60 2inch R3378-50 onvertex of truncatedicosahedron.
• 18.5cm inner balloon• 300g Zr(iPrac)4 loaded
liquid scintillator whichcontains 1.1 g of 96Zr
• 180 2νββ events peryear is expected• Location: Kamioka mine
• Start time: FY2024 14
2021年9月15日

Observation of 2νββ signal using 2ν-ZICOS

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XVIII• 28 cm diameter flask
using Ultra-pure quartz(U/Th < 0.05ng/g) and60 2inch R3378-50 onvertex of truncatedicosahedron.
• 18.5cm inner balloon• 300g Zr(iPrac)4 loaded
liquid scintillator whichcontains 1.1 g of 96Zr
• 180 2νββ events per
year is expected• Location: Kamioka mine
• Start time: FY2024 15
2021年9月15日

Summary•••••

Topological information (averaged angle) of Cherenkov light
was directly measured by HUNI-ZICOS using actual low
energy electron.
Averaged angle distribution using fixed direction and fixedenergy (1.484MeV) electron using 88Y source has peak at~40 degree. This is not Cherenkov angle due to hit PMT
geometry. They also agree with the simulation.
It is verified that Cherenkov light emitted from 1.484MeV
electron really have their topology, in other words, it ispossible to reduce 208Tl BG using averaged angle for small
experimental size. Need check this in the lab level.
Demonstration of βγ BG reduction using 60Co source by UNIZICOS will start in this autumn and the result will be reported
at next JPS meeting.
Next program to observe 2νββ decay will start in FY2024
after 2 years preparation. Stay tuned!
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16Backup slides

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XVIII

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17Ultra low background environment

SKのタンク内以上のレベル
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XVIII

環境中のU/Thから放射されるガンマ線に対し、CsI検出器を用いて5cm鉛シールド内外のスペクトルの差を観測した結果、図7の分布が得られた。
2MeV付近のガンマ線の鉛に対する透過率は8%、CsI検出器の検出効率が60%程度であることから、2.615MeVの208Tlのガンマ線を基準に考えると、年間2.2×106個のガンマ線が表面積150cm2のCsI検出器に入射している。検出器内のバルーンの表面積は1075cm2となるので,年間当たり約2.4×106事象が検出されることになる。そこで、厚さが20cmの鉛遮蔽体内に検出器を設置すると、年間30事象程度まで低減できる。一方、CsI検出器で観測された40K事象数から、同鉛遮蔽体内では年間約20事象が観測されることが予想される。
2021年9月15日

18Topological info : averaged angle
Average directione- = Σ didi θi

Averagedangle= Σ θiNhit

Average angle with respect to averaged direction
for single electron seems to have a peak at 48
degree which is almost same as Cherenkov angle.
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