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 XII
日本物理学会 第73回年次大会
2018年3月25日

宮城教育大学教育学部 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗*、
那仁格日楽＊、小畑 旭*
東京大学宇宙線研究所
福井大学工学部
東京理科大学理工学部

森山茂栄
小川

郡司天博、塚田泉
学、速水良平96Zr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探索実験-ZICOS
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) 082503

0𝜈𝜈
NEMO3 : 𝑇𝑇1/2> 9.1 × 1021 yrs

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

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

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2018年3月25日

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チェレンコフ光を用いた背景事象の除去（前回発表）
Simulated by EGS5Simulated by EGS578%
維持
Vertex position
Double beta decay event sample
Simulated by EGS5

93%
除去

シミュレーションによると1MeVのelectronから放出するチェレ
208Tl 背景事象と二重ベータ崩壊 ンコフ光を用いれば 208Tl 背景
事象が除去可能事象のPMTヒットパターン
Vertex position

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2018年3月25日

3電子により観測されたパルス波形（前回発表）
アニソール（液シン）
Zr を溶解させた液体シンチレータ

Scintillation-like

Cherenkov-like

Cherenkov-like

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今回の発表：アニソールで観測されたチェレンコフ光の波形とシンチレーション光の波形が異なっているが、本当か？宇宙線ミューオンを用いてチェレンコフ光のパルス波形を観測することを目的としている。
結果：チェレンコフ光の波形は立ち下がり時間が短く、シンチレーション光とは異なった波形。
2018年3月25日

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宇宙線ミューオンを用いたパルス波形観測鉛直入射ミューオン

斜め入射ミューオン

宇宙線µからのチェレンコフ光のシミュレーション

鉛直入射

左PMTの光量増加が確認できれば、その事象の波形はチェレンコフ光によるもののはずである。→チェレンコフ光の波形が観測できる。
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斜め入射2018年3月25日

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Zrを含まない標準液体シンチレータを用いた左右PMTの光量
•

鉛直入射
右P
M
T

光量の定義：52ns84nsの時間幅内のFADCカウントを積分(但し、パルス波形は常時60nsにピークがくるように設定）

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•左PMT

斜め入射

右P
M
T

左右PMT両方に光量が観測されている青枠内の事象が液体シンチレータを通過した宇宙線ミューオン。
この標準液シンでは、シンチレーション光の光量はチェレンコフ光の光量の100倍程大きいことがわかっているので、シンチレーション光が主に観測されている。

左PMT
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標準液体シンチレータにおける左右PMTの光量差
左PMT

右PMT

日本物理学会第73回年次大会• 左右PMTのどちらも、鉛直入射と斜め入射の宇宙線ミューオンによる光量分布に統計的な差が見られない。
• 観測される光量のほとんどがシンチレーション光であるため、等方的に放射していることから、鉛直・斜め入射のミューオンによる光量差が見えづらくなっていると考えられる。
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7シンチレーション光による左PMTの平均パルス波形•観測された早いタイミングと遅いタイミングの平均パルス波形は、それぞれ鉛直入射と斜め入射ミューオンの波形が完全に一致（タイミングの早い・遅いはFADCの時間bin幅が2nsであるため、1ns遅れて観測されるパルスが存在するため）

電子によるシンチレーション光の平均パルス波形との比較••

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2018年3月25日

観測した平均パルス波形の立ち上がり時間は電子とミューオンでほぼ一致。
しかし立ち下がり時間はミューオンの方が電子より長い (早いタイミングで 9.3ns（µ) :7.4ns(e) 遅いタイミングで9.2ns(µ) : 7.6ns (e)) → 粒子の通過時間の違いが原因かも？
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SC-37フィルターを介したアニソールによる左右PMTの光量
•

鉛直入射
•右PM
T

•
左PMT

斜め入射右PMT

左PMT
日本物理学会第73回年次大会•

シンチレーション光の影響を少なくする
ため、液シン溶媒のアニソールの周りをUVカットフィルターSC-37で包んで測定。
左右PMT両方に光量が観測されている
青枠内の事象が液体シンチレータを通過した宇宙線ミューオンと思われる。
SC-37フィルターを介して観測している
ため、シンチレーション光はほとんど観測されないはず（だが、完全に０ではなくどれだけ存在するかは不明）
左PMTの光量が鉛直入射に比べ斜め入射の方が光量が大きい（再現性は確認済み）
チェレンコフ光による光量の増加が観測されている。
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9鉛直・斜め入射ミューオンによる左右PMTの光量差••

宇宙線ミューオンの斜め入射によるデータから左PMTの光量増加が確認された。
右PMTの光量については鉛直入射・斜め入射に対し変化は見られなかった。→シンチレーション光量の寄与のため。

 チェレンコフ光の方向波形のイメージ性を確認。
 左PMTの斜め入射の光量80~160の平均パルス波形から鉛直入射の光量40~80の平均パルス波形を差し引くと、チェレンコフ光の平均パルス波形になるはず。
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2018年3月25日

10差し引き前後の左PMTの平均パルス波形••(subtracted)(subtracted)

斜め入射の光量（80～160）で作成した平均パルス波形から鉛直入射の光量（40～80）で作成した平均パルス波形を差し引く。
差し引いた平均パルス波形の立ち上がりはシンチレーション光と同程度。立ち下がりは、早いタイミ
ングでは5.4ns、遅いタイミングでは5.0nsで、シンチレーション光の9.2nsより十分早い。
この平均パルス波形はチェレンコフ光によるもののはずであり、つまり、チェレンコフ光の波形はシンチレーション光の波形と明らかに異なる。

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2018年3月25日

11電子で観測された事象のパルス波形との比較
シンチレーション光による平均パルス波形

チェレンコフ光による平均パルス波形••

電子で観測された事象の波形と比較すると、シンチレーション光の平均パルス波形よりもチェレンコフ光の平均パルス波形の方が比較的良く一致している
若干立ち下がり部分が合わない（遅い）。

アニソールで観測された立ち下がりの早いパルス波形は、チェレンコフ光によるものと考えられる。
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2018年3月25日

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まとめ
 低シンチレーション環境で、宇宙線ミューオンを用いて、チェレンコフ光のパルス波形を直接観測した。

 チェレンコフ光の方向性を確認した。

 観測されたチェレンコフ光の平均パルス波形は、シンチレーション光の波形と全く異なっていた。

 シンチレーション光よりも短い立ち下がり波形
 電子により観測されたパルス波形とほぼ一致

 低エネルギー電子のシンチレーション光の波形からチェレンコフ光の有無を同定するPSDが可能 現在、Zr含有液体シンチレータで、宇宙線ミューオンを用いて波形観測を行っている。（PSDの開発）
 高速のPMT/FADCを用いて、Zr含有LSの電子によるパルス波形でチェレンコフ光を同定するPSDを開発する計画。
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BACKUP日本物理学会第73回年次大会

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14Observed pulse in PhOMe

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15Charge and pulse shape for left PMT

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2018年3月25日

16Emission and absorption spectra forsolvent and solute in standard cocktail
PPO absorbed mostof emission lights fromanisole.
Effectively the energy
was transferred to thesecondary scintillator.
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2018年3月25日

17Transparency of UV filter
90%

50%

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Fall time of scintillation for electron• Templates of FADC timing pulse shape for
scintillation light were obtained for both case.
• Both decay time of scintillation light are same,and it was about 7ns.
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2018年3月25日

19Fall time of scintillation and Cherenkov
Pulse shape ofCherenkov lights
has 5.4ns and
5.0ns of fall timefor early and latetiming, respectively.
They are much
shorter than the falltime of Scintillation(~9.3ns).

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2018年3月25日

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χ2 distribution using Zr loaded LSχ2 distribution looks
different between
vertical and inclinedmuons.
preliminary
PSD should be usefulfor identification ofCherenkov signal.

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2018年3月25日

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Zr loaded liquid scintillator
2017

2013~2015
2015
Measured on this August.
An energy resolution is obtainedby 2.61±0.14% at 3.35 MeV
assuming 64% photo coverageof the photomultiplier.
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2018年3月25日∆𝐸𝐸= 0.125
𝐸𝐸(𝐸𝐸 = 1.02MeV)

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Observation of Cherenkov lights
NaI detector

NaI detector

BS γ 30deg 60Co
γBS γangle

Cherenkov
lightγ30deg

angle

LSLSelectron (1.02MeV)

90deg
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60Co

Cherenkov
light10deg
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23Neutrino mass sensitivity of ZICOS experiment
Total mass : 180ton (fiducial volume : 113ton)
Measurement time: 2years
10wt.% Zr(iprac)4 = 12.６ton includes 1.7ton ofZirconium= 45 kg of 96Zr (natural abundance 2.6%)
T1/20ν > 4×1025y ← Not enough for 0νββ search1) Zr enrichment
50% enrichment of 96Zr (e.g. 57.3% for NEMO-3)
96Zr will be 865kg then T 0ν > ~2 ×1026y1/22) BG (208Tl ) reduction
BG level < 1/20 ×KL-Zen
then T1/20ν > ~1 ×1027y Today’s talk
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2018年3月25日

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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 E-resolution
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2018年3月25日

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Decay branch of Thallium-208The vertex reconstructed byscintillation make it within
fiducial volume due to misfitting of gammas.
日本物理学会第73回年次大会

2018年3月25日

26Physical constants of Liquid Scintillator

LY of NaI(Tl) : 4×104 photon/MeV
日本物理学会第73回年次大会

LY of BC505 : 1.2×104 photon/MeV
2018年3月25日

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Property of Cherenkov light Refractive index of anisole : n=1.518
 Cherenkov angle is determined bycosθ= 1/n’β (Ee>0.7MeV) n’>n Assuming 1.65MeV electron, then
β=0.972 and Cherenkov angel θ=47.3
degree are expected.
 Number of Cherenkov photon :100 photon/MeV (400nm – 600nm)

c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
日本物理学会2017年秋季大会

2017年9月13日

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