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探索実験新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」領域研究会

2019年8月24日
宮城教育大学教育学部
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
東北大学金属材料研究所

福田善之、安齊太亮*、亀井雄斗*、
那仁格日楽＊、小畑 旭*
森山茂栄、平出克樹
小川 泉
郡司天博、塚田 学、速水良平
黒澤俊介

96Zrによるニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊[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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2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実験
Liquid Scintillator：(1) 10 wt.% Zr(iprac)4 loaded inanisole(2) 2.5% at 3.35MeV of energy
resolution with 64% photo
coverage and long attenuation
length.

3.5m

Pure water surrounding innerdetector in order to veto muons andexternal backgrounds.
Inner detector with ~64% photo
coverage 20” PMT including 1.7ton
Zirconium loaded 113 tons LS in
fiducial volume. (Total vol. : 180tons)
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10m
10m目的
① 0νββ事象の観測② 複数の原子核による観測で核行列要素の不定性を抑える
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3Zr(iPrac)4 を溶解させた液体シンチレータ
Zr(CH3COCHCOOCH(CH3)2)4= Zr(iPrac)4mw : 663.87

Zr(iprac)4 2242mg, PPO
999mg and POPOP 10mg
solved in 20mL Anisole> 70g/L of Zirconium could be solved in anisole.
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4光量とエネルギー分解能の濃度依存性
Measured at several conditions of PPO concentration

48.7±7.1% light yield tostandard cocktail wasobtained at 10wt.%
concentration.
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13.0±2.0%√(64%/9.2%)X(3.35MeV/1.03MeV)= 2.7±0.4% at 3.35MeV
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5ZICOS検出器のコンセプトデザイン
Phys.Rev.Lett. 117 (2016) 082503

0𝜈𝜈
NEMO3 : 𝑇𝑇1/2> 9.1 × 1021 yrs

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

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

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6208Thの崩壊図

The vertex reconstructed byscintillation make it within
fiducial volume due to misfitting of gammas.
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7208Tl事象と DBD事象

0νββ evente-Reconstructed vertex byescintillation light

β decay
2.6MeV γ
Reconstructed vertex
by Cherenkov light
Balloon or
surface ofdetector
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e-2019年8月24日

8位相幾何学的情報：平均角
Average directione- = Σ didi θi

Averageangle= Σ θi
Nhit

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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9平均角を用いた背景事象の除去
Simulated by EGS5

Simulated by EGS578%
維持
Vertex positionDouble 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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1090Sr/90Yのベータ事象による波形観測

90Yのベータ崩壊事象はチェレンコフ閾値（0.7MeV）以上のエネルギーを持つ高統計のベータ線事象を使用して、シンチレーションとチェレンコフ光の波形を観測
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11シンチレーション光とチェレンコフ光の平均波形分布 シンチレーション光の下
降時間は6.5ns
 チェレンコフ光の下降時
間は2.4ns (fast)と2.7ns(slow)
 以前測定したコンプトン
電子の波形とほぼ同様
 チェレンコフ光の波形は上昇・下降ともにシンチレーション光の波形よりも有意に短い
チェレンコフ光による波高分別法が開発可能
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今後の計画① 短期計画（２０１９～２１）• 波高分別法の開発• エネルギー分解能の実測定• 位相幾何学情報（平均角）の測定• ＢＧ事象除去の実測（60Coのβγ事象を利用）② 中期計画（２０２２～２６）• 2”PMTプロトタイプ測定器（半径~35cm)• 6.5kg Zr(iPrac)4 ~80gの96Zr（自然存在比）• 既存の水タンク使用？
2𝜈𝜈の測定（2.1x1019y)• 96Zr 2νββの観測 𝑇𝑇1/20𝜈𝜈
下限値の更新• 96Zr 0νββの観測 𝑇𝑇1/2• 96Zrの濃縮→CANDLESの方法？
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今後の計画① 短期計画（２０１９～２１）• 波高分別法の開発• エネルギー分解能の実測定• 位相幾何学情報（平均角）の測定• ＢＧ事象除去の実測（60Coのβγ事象を利用）② 中期計画（２０２２～２６）• 2”PMTプロトタイプ測定器（半径~35cm)• 6.5kg Zr(iPrac)4 ~80gの96Zr（自然存在比）• 既存の水タンク使用？
2𝜈𝜈の測定（2.1x1019y)• 96Zr 2νββの観測 𝑇𝑇1/20𝜈𝜈
下限値の更新• 96Zr 0νββの観測 𝑇𝑇1/2• 96Zrの濃縮→CANDLESの方法？
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エネルギー分解能の実測定

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今後の計画① 短期計画（２０１９～２１）• 波高分別法の開発• エネルギー分解能の実測定• 位相幾何学情報（平均角）の測定• ＢＧ事象除去の実測（60Coのβγ事象を利用）② 中期計画（２０２２～２６）• 2”PMTプロトタイプ測定器（半径~35cm)• 6.5kg Zr(iPrac)4 ~80gの96Zr（自然存在比）• 既存の水タンク使用？
2𝜈𝜈の測定（2.1x1019y)• 96Zr 2νββの観測 𝑇𝑇1/20𝜈𝜈
下限値の更新• 96Zr 0νββの観測 𝑇𝑇1/2• 96Zrの濃縮→CANDLESの方法？
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16位相幾何学情報の測定• HUNI-ZICOSによる平均角分布の測定

１０MBｑ

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今後の計画① 短期計画（２０１９～２１）• 波高分別法の開発• エネルギー分解能の実測定• 位相幾何学情報（平均角）の測定• ＢＧ事象除去の実証（60Coのβγ事象を利用）② 中期計画（２０２２～２６）• 2”PMTプロトタイプ測定器（半径~35cm)• 6.5kg Zr(iPrac)4 ~80gの96Zr（自然存在比）• 既存の水タンク使用？
2𝜈𝜈の測定（2.1x1019y)• 96Zr 2νββの観測 𝑇𝑇1/20𝜈𝜈
下限値の更新• 96Zr 0νββの観測 𝑇𝑇1/2• 96Zrの濃縮→CANDLESの方法？
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18ＢＧ事象除去の実測• UNI-ZICOSによるβγ事象の平均角分布を測定

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今後の計画① 短期計画（２０１９～２１）• エネルギー分解能の実測定• 波高分別法の開発• 位相幾何学情報の測定• ＢＧ事象除去の実測（60Coのβγ事象を利用）② 中期計画（２０２２～２６）• 2”PMTプロトタイプ測定器（半径~25cm)• 6.5kg Zr(iPrac)4 ~30gの96Zr（自然存在比）
2𝜈𝜈の測定（2.1x1019y)• 96Zr 2νββの観測 𝑇𝑇1/20𝜈𝜈
下限値の更新• 96Zr 0νββの観測 𝑇𝑇1/2• 既存の水タンク使用？（直径5ｍくらい）• 96Zrの濃縮→CANDLESの方法？
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③ 0ν事象探索（２０２７～） T1/2>1027年 mν~3meV• 検出器デザイン？
• どこで行う？（既存の水タンク？直径12ｍ）• 96Zr濃縮したZrCl4の合成（精錬？）• コラボレーション？
• 予算規模（10億円程度）① 96Zrの濃縮（数億円）② 20インチPMTの高速化 (rise time<1ns)• 2インチ 650本X100X10万円＝65億円（不可能）• 20インチ 650本X60万円＝4億円③ 本体（外部タンクを除く）＋エレキ ＜10億円④ 12tonのZr(iPrac)4の合成 数億円
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21まとめ• Zrを高濃度に溶解させた液体シンチレータを開発• エネルギー分解能は２．７％＠３．３５ＭｅＶと予想→ 高いPhoto coverageで確認する必要• 208Thのβγ背景事象の除去→ チェレンコフ光の位相幾何学情報が有効① シンチレーション光を受光したＰＭＴからチェレンコフ光を受光したＰＭＴを抜き出すための波形分別法の開発② 位相幾何学情報の実測③ βγ事象を用いた位相幾何学情報による除去の実証• 数年内にプロトタイプ測定器による物理観測開始と技術的課題（ＰＭＴ高速化と濃縮）の解決
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