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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２重ベータ崩壊事
象の探索実験Ⅲ
日本物理学会

2013年秋季大会

2013年９月2０日
宮城教育大学教育学部

福田善之

東京大学宇宙線研究所

森山茂栄

福井大学工学部

小川泉

NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY[T1/20n(0+ ->0+)]-1 =G0n(E0,Z)|M0n|2<mn>2
T1/2~a(Mt/DEB)

a: abundance

M: target masst: measurement time DE: energy resolution B: BG rate

Requirement : Low BG, Large target mass, High energyresolution
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Sepember 20th, 20132FOR FUTURE EXPERIMENTS

high energy
resolution
4%@2.5MeV

F.Piquemal@n2012

http://kds.kek.jp/getFile.py/access?contribId=37&sessionId=16&resId=2&materialId=slides&confId=9151~tons of target will be necessary for next generation detector
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Sepember 20th, 2013

3

ZIRCONIUM COMPLEX IN ORGANIC LIQUIDSCINTILLATOR (ZICOS) FOR DOUBLE BETA
DECAY EXPERIMENT
Assuming 10w.t.% solubility

3m

Zirconium loaded 100ton LS
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10m
Sepember 20th, 20134

ABSORPTION SPECTRA OF ZIRCONIUM
ACETYLACETONE Emission peak of anisole

was observed around
295nm.

 Absorption peak ofZr(acac)4 was observed
around 270nm.

Scintillation light fromanisole (PhOMe) might beabsorbed by Zr(acac)4
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Sepember 20th, 2013

5

ZIRCONIUM ΒETA-KETO ESTER COMPLEX
Zr(CH3COCHCOOCH(CH3))4 = Zr(iprac)4
mw : 711.92

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Zr(CH3CCOCHCOOC
H3)4 = Zr(etac)4
mw : 665.81

Sepember 20th, 2013

6

ZIRCONIUM BETA-KETO ESTER COMPLEX
Zr(iprac)4+(iprac)1.5
state: powderZr(etac)4state : dry solid

Synthesized by Prof. Takahiro Gunji (Tokyo University of Science)

Solubility > 10 w.t.% for anisole
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Sepember 20th, 20137

ABSORBANCE SPECTRA FOR ZIRCONIUM
BETA-KETO ESTER COMPLEX
Confirmed theabsorption peakmoves 275nm →245nm in Hexane,
but in Acetonitrile(nor Toluene)

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Sepember 20th, 20138

LIGHT YIELD OF LS CONTAINING ZIRCONIUM
BETA-KETO ESTER COMPLEX
Observed
scintillation lightyield decreased
due to quenching .
~70%

~36%

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Still exists
absorption peakaround 270nm inAnisole ?.

Sepember 20th, 20139

ABSORBANCE SPECTRA FOR BETA-KETO ESTERLIGAND
Absorption peaksof b-keto ester
ligands were foundaround at 240nm(not 270nm) eventhough thearomatic solvent.

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Sepember 20th, 201310

LIGHT YIELD OF LS CONTAINING BETA-KETO
ESTER LIGAND
Scintillation lightyield recovers
almost double.
~84%

~60%

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b-keto ester
complex wasdissolved insolvent ?

Sepember 20th, 201311

COMPONENT IN SOLUTION OF HEXANE

Nothing found except
Hexane.
No peak of metalcomplex was foundin any case with GC .
hexane日本物理学会 2013年秋季大会

Sepember 20th, 201312

COMPONENT IN SOLUTION OF ACETONITRILE?

acetonitrile

Isopropylacetoacetate

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Isopropyl acetoacetate
ligand was found withAcetonitrile.
Something dissolved bketo ester complex.

Sepember 20th, 201313

COMPONENT IN SOLUTION OF ANISOLE?

Isopropyl acetoacetate
ligand was also foundwith Anisole.
anisoleIsopropylacetoacetate
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Sepember 20th, 201314

COMPONENT IN SOLUTION OF PURE-ANISOLE
Nothing was found except
pure anisoleSome impurities containingin regular anisole (same asacetonitrile) dissolved bketo ester complex.
anisole日本物理学会 2013年秋季大会

Sepember 20th, 2013

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TETRAKIS (DIETHYL MALONATO) ZIRCONIUM
AND ABSORBANCE SPECTRUM OF LIGAND
Zr(CH3CH2OCOCHCOOCH2CH3)4= Zr(demｌ)4mw : 727.84

shorter wavelength (~210nm)
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Sepember 20th, 201316

LIGHT YIELD OF LS CONTAINING DIEHYL
MALONATE LIGAND (WITH PURE ANISOLE)

Perfect!
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Sepember 20th, 2013

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SUMMARY Confirmed absorption peak moved to shorter

wavelength (275nm → 245nm) by introducing
b-keto ester substituent groups.

 Polar solvent and impurities could dissolve b-keto ester complex and no effect to shortenwavelength.

 Pure anisole does not dissolve b-keto complex.
 tetrakis (diethyl malonato) zirconium should bean ultimate complex for resolving zirconium inliquid scintillator.

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Sepember 20th, 201318

BACKUP日本物理学会 2013年秋季大会

Sepember 20th, 201319

SCINTILLATION LIGHT YIELD WITH RESPECT TO
CONCENTRATION OF ZIRCONIUM COMPLEX
concentration Observedof Zr(acac)4
channel

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Expectedchannel

0 mg

3850

3850

50mg
(1.03X10-4)

3175

3138

100mg
(2.05X10-4)

2800

2651

200mg
(4.10X10-4)

2000

2018

300mg
(6.15X10-4)

1600

1613

500mg
(1.03X10-3)

900

1178

PPO 100mg : 4.52X10-4 mol
Sepember 20th, 201320

SCINTILLATION LIGHT YIELD (137CS) WITHRESPECT TO CONCENTRATION OFZR(ACAC)4concentration Observedof Zr(acac)4
channel

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Expectedchannel

0 mg

2450

2450

50mg

1800

1997

100mg

1400

1687

200mg

950

1284

300mg

650

1038

500mg

300

750

Sepember 20th, 2013

21

ZIRCONIUM Β-DIKETON COMPLEX
 Zirconium(IV)acetylacetonate (Zr(acac)4)

 Advantage
 good solubility (over 10w.t.%)

in Anisole (PhOMe) Stable and cheep Commercial product Disadvantage
 Low scintillation light yield

Molecular weight : 487.66
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Sepember 20th, 201322

PHOTO LUMINESCENCE AND ABSORPTION OFPPO Photo luminescence Fluorescence device: HORIBA

FluoroMax-4

 Absorbance device : HITACHI

U-3000 Solvent : Benzonitrile (PhCN) Concentration : 1.0×10-5mol/L 2,5-Diphenyloxazole

 Molecular mass : 221.26
 Max. emission wavelength :368.0nm

 Max. absorption

wavelength : 309.7nm

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Sepember 20th, 201323

WHAT’S PROBLEM
 Absorption spectra ofIn(acac)3 (indium acetylacetone) was overlappedwith the emission spectrafrom Anisole （Chem. Phys.
Lett., 435(2007), 252)

Same overlap between the emission
and the absorption could be occurred
even if different metal (Zr) was used.
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Sepember 20th, 201324

PHOTO LUMINESCENCE AND ABSORPTION OFPOPOP Photo luminescence Fluorescence device: HORIBA

FluoroMax-4

 Absorbance device : HITACHIU-3000

 Solvent : Benzonitrile (PhCN) Concentration : 1.0×10-5mol/L 1,4-Bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzene

 Molecular mass : 364.40
 Max. emission wavelength :423.6nm

 Max. absorption

wavelength : 364.1nm

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Sepember 20th, 201325

PHOTO LUMINESCENCE AND ABSORPTION OFBIS-MSB
 Photo luminescence Fluorescence device: HORIBA

FluoroMax-4

 Absorbance device : HITACHI

U-3000 Solvent : Benzonitrile (PhCN) Concentration : 1.0×10-5mol/L 1,4-Bis(2-methylstyryl)benzene

 Molecular mass : 310.44
 Max. emission wavelength :426.6nm

 Max. absorption

wavelength : 355.3nm

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Sepember 20th, 201326

ABSORBANCE IN LIQUID SCINTILLATORSOLUTION : DIETHYL ETHER Two absorption peaks were

found in diethyl ether.

 It could be explained bypart of dissolving b-ketoester complex.

 Two components could

coexist of speed of dissolving
could be slow.

Additional peak wasfound around 270nm
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Sepember 20th, 201327

Piquemal@n2012

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