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 XV～シンチレーション検出器におけるチェレンコフ光選別のためのパルス波高分別法の開発～

Supported by Grant-in-Aid for Scientific Research (c) 18K03664 and Grant-in-Aid for

Scientific Research on Innovative Areas 19H05093 and 20H05241

日本物理学会 2020年秋季大会
オンライン開催
2020年9月17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*（＊は卒業生）
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
𝑇𝑇1/2
> 4 × 1025 yrs → 2 × 1026 yrs → ~1 ×1027yrs

日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

2

チェレンコフ光の平均角を用いた背景事象の除去
Simulated by EGS5

Simulated by EGS578%
維持
Vertex position
Double beta decay event sample
Simulated by EGS5

93%
除去

シミュレーションでは1MeVの電子が放出するチェレンコフ光を受
208Tl 背景事象と二重ベータ崩壊
光したPMTのヒットパターンを用事象のPMTヒットパターン
いて 208Tl 背景事象が除去可能
Vertex position

日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

3

Zr(iPrac)4 を溶解させたZICOS用液体シンチレータ
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.
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

4

今回使用した光電子増倍管（その1）浜松ホトニクス H2431-50 (R2083)

 感度：４００K
 ダイノード構造/段数 L（ラインフォーカス）/12段
 印加電圧：３０００V
 ゲイン：2.5×106 暗電流:100nA (H6410:10nA)
 時間特性：0.37ns(TTS) 0.7ns（上昇時間）
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

5今回使用したFADC digitizer
CAEN V1751
 10 bit 2 GS/s (interleaved) – 1 GS/s ADC
 4-8 channel
 FPGA for real time Digital Pulse Processing: Zero Length Encoding (DPP-ZLEplus)
 Original firmware
 0.2 or 1 Vpp input dynamics single ended or 1 Vpp differential
 16-bit programmable DC offset adjustment: ±0.5 V / ±0.1 V
 Trigger Time stamps
 Memory buffer: up to 14.4 MS/ch (28.8 MS/ch @2 GS/s)
 Programmable event size and pre-post trigger adjustment
 Analog Sum/Majority and digital over/under threshold flags for
Global Trigger logic
 Front panel clock In/Out available for multiboard synchronisation(direct feed through or PLL based synthesis)
 16 programmable LVDS I/Os
 Optical Link interface (CAEN proprietary protocol)
 VME64X compliant interface A2818(PCI) / A3818 (PCIe) Controller available for handling up to8/32 modules Daisy chained via Optical Lin Firmware upgradeable via VME/Optical Link
 Libraries, Demos (C and LabView) and Software tools for Windows andLinux
2020年9月16日
日本物理学会 2020年秋季大会
6シンチレーション光とチェレンコフ光の平均波形分布• Pulse shape of 90Sr using
H2431-50 measured byV1751 with DES mode(2GS/s)• Decay time of scintillation :4.57ns and 8.38ns• Rise time of scintillation :1.45ns• Rise time of Cherenkov :0.75ns
電荷比Qtime/Qtotal用いて、立ち上がり波形を観測。ここ
でQtimeは各時間のFADC値、 Qtotalはt=55ns~80ns間のFADC値のサム
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

7各ガンマ線源事象のQtotal分布••••

60Co (1.17MeV/133MeV)

コンプトン端： 1.04MeV
137Cs (662keV)
コンプトン端： 478keV
133Ba (356keV)
コンプトン端： 207keV
57Co (122keV)
チェレンコフ閾値 以下

各ガンマ線事象のパルス立ち上がりを電荷比を用いて観測
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

8

ZICOS LSを用いたガンマ線事象の立ち上がり•••

t=57ns~58nsの時間帯で立ち上がり方に違いが見える
エネルギーが大きいほど立ち上がり方も大きい
t>58.5nsの波形はエネル
ギーによらず一定
t=57ns~58nsの波形はチェレンコフ光が優勢と考えられる。
57Ｃｏの波形をシンチレーション光のテンプレートとして作成
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

957Coのテンプレートを用いたχ2分布• バックグランド事象の多くがチェレンコフ閾値より低いエネルギーである。つまり、シンチレーション光のみと考えられる。
• バックグラウンド事象の多くが、χ2の値が1以下の小さい値を示している。
チェレンコフ光を含む事象はχ2が大きい事象と考えられる。
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

10一定方向一定エネルギー事象による測定

χ2>0.1：22events/28events Fixed energy : 835keV
ADC ch~3400cn=78.6%

BG events=3evets
日本物理学会 2020年秋季大会

χ2>0.1をチェレンコフ光を含む事象と定義すると、この測定のinefficiency
21.4±9.6%は妥当か？
2020年9月16日

11コンプトン端電子とランダムＢＧ事象による測定

χ2 ＜0.1(scintillation like)
403/3970 = 10.4±0.5% forCompton edge events

1772/3606=49.1±1.4% for
random BG events
一定方向電子のinefficiencyとrandom BGのinefficiencyは2.86σ異なる。
~1MeV電子からのチェレン
コフ光のtopologyを確認

日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

12位相幾何学情報の測定（今年度実施予定）• Measurement of averaged angle by HUNI-ZICOS

日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

13位相幾何学情報を用いたβγ事象の除去率の測定（2021年度に実施）• Direct reduction for βγ events by UNI-ZICOS

日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

14今回使用した光電子増倍管（その2）浜松ホトニクス H3164-12 (R1635)

 感度：４００K
 ダイノード構造/段数 L（ラインフォーカス）/8段
 印加電圧：125０V
 ゲイン：1.0×106 暗電流:50nA
 時間特性：0.5ns(TTS) 0.8ns（上昇時間）
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

15H3164-12による波形観測

チェレンコフ光が主体

シンチレーション光が主体
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

16H3164-12による波形分別

日本物理学会 2020年秋季大会

PSD可能だが調整必要
2020年9月16日

17結果
 0.5nsecの高速FADCを用いると、シンチレーション光とチェレンコフ光の立ち上がり波形が明確に異なる
 ZICOS用液体シンチレータを用いて、チェレンコフ光の有無を波形分別する手法を開発
 各時間のFADC値を波形全体のFADC値の合計で割った電荷比を用いて、チェレンコフ光が含まれない133Baのデータからテンプレートを作成
 事象毎にχ2 を計算すると、 χ2 ＞0.1の場合にチェレンコフ光を含む光電子増倍管として選別可能
 一定方向に発生する~1MeVの電子事象は、ランダムな方向の事象とは明らかに異なる方向依存性を有している
低エネルギー電子からのチェレンコフ光のtopologyが有効であることを確認
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

18集光用ライトガイドによるエネルギー分解能測定
前回測定したエンル
ギー分解能13％＠9％集光率と比較す
ると、今回のライトガイドでは5％＠60％集光率と計算され、ほぼ予想通りとなっている。

22Na

日本物理学会 2020年秋季大会

統計が足りないので、新規に88Y(1.836MeV1MBq γ)を導入
予定

9.7%@1.04MeV
2020年9月16日

19

BACKUP日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

20

PPO濃度によるエネルギー分解能の改善
Measured at several conditions of PPO concentration
5wt.% PPO helps again
the energy resolution
35% → 13%. at 10wt.%
of Zr(iprac)4.
13.0±2.0%√(64%/9.2%)X(3.35MeV/1.03MeV)= 2.7±0.4% at 3.35MeVwith 64% photocoverage
Almost achieved goal !
(not confirmed yet)
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

21液体シンチレータの光量Zr(iPrac)4 in several conditions of PPO concentration.
Light yield decreased
as calculated formula.
However, PPO helps
actually the light yieldrecovering.
48.7±7.1% light yield
to standard cocktail
was obtained at10wt.% concentration.
日本物理学会 第70回年次大会

2015年3月21日

22チェレンコフ光の特性
 Refractive index of anisole : n=1.518
 Cherenkov angle is determined bycosθ= 1/nβ (チェレンコフ閾値：168keV)
 Assuming 1.65MeV electron, then
β=0.951 and Cherenkov angel θ=46.2
degree are expected.
 Cherenkov light should be measured.
(350nm – 550nm : 150-200 photon/MeV )c.f. Light yield of Scintillation : ~12000photon/MeV

Cherenkov light = 1~2% of scintillation light
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

23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)
日本物理学会 2020年秋季大会

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
2020年9月16日

24

Zr(iPrac)4 とPPO/POPOPの吸光度波
長依存性
Absorption peaks ofZr(iPrac)4 and PPO
found around at 278nm
and 310nm, respectively.
.

PPO may cover theemission of Anisole, inspite of absorption ofZr(iPrac)4.
日本物理学会 2020年秋季大会

2020年9月16日

25