ニュートリノ崩壊探索概要
2016年1月19日 /第二回CiRfSE ワークショップ

武内勇司 (筑波大 数理物質融合科学センター)
on behalf of Neutrino Decay Collaboration1

ニュートリノ崩壊• 質量固有状態(1, 2, 3), フレーバー固有状態 (e, , )：混合𝜈𝑒𝜈1𝑈𝑒1 𝑈𝑒2 𝑈𝑒3
𝜈𝜇 = 𝑈𝜇1 𝑈𝜇2 𝑈𝜇3 𝜈2𝜈𝜏𝜈3𝑈𝜏1 𝑈𝜏2 𝑈𝜏3 ニュートリノフレーバーは飛行中に振動
22
 質量二乗差(Δ𝑚12, Δ𝑚23)の測定が可能

 質量の絶対値そのものは，未測定!

 重たいニュートリノ(2, 3)は安定ではない

─ ニュートリノ混合によりループを経て崩壊可能– 𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾

𝜈1,2γe, 𝜇, 𝜏𝑊– ニュートリノ崩壊によって質量が決定可能

𝜈3

 しかし，寿命は宇宙年齢よりも遥かに長い 「宇宙背景ニュートリノ(CB) 」をニュートリノ源として，ニュートリノ崩壊を探索
2宇宙背景ニュートリノ (C𝜈B)

CMB

𝑛𝛾 = 411/cm3
𝑇𝛾 = 2.73 K

CB (=熱平衡からニュートリノが分離)

粒子数密度 (cm-3)

102

宇宙はニュートリノで満たされている
しかし実験的には未だ検出されていない

10−7

ビッグバンから約1秒後
133
𝑇
4 3
𝜈
3𝑛+𝑛=𝑛=110
cm𝑇𝜈 =𝑇𝛾 = 1.95K
𝜈𝜈
𝛾4𝑇
11
𝛾3𝑝𝜈 = 0.5meV/c

CBを使ったニュートリノ崩壊探索の意義• 宇宙背景ニュートリノ(C𝜈B)における輻射崩壊 𝜈3 → 𝜈1,2 + 𝛾– 標準模型を超えるニュートリノの異常磁気能率の探索– 宇宙背景ニュートリノの直接観測
2– ニュートリノ質量の絶対値の決定: 𝑚3 = 𝑚32 − 𝑚1,22𝐸𝛾• ニュートリノ寿命に対する感度の目標： 𝜏 𝜈3 = Ο 1017 yr𝑠– 標準模型による予言値： 𝜏 = Ο(1043 yr𝑠)
– 測定による下限値： 𝜏 > Ο(1012 yr𝑠)
– 標準模型を超える物理(例えば左右対称模型)による予言値：
LR混合角 𝜁 = 0.02の場合で最短値 𝜏 = Ο(1017 yr𝑠)まであり得る
磁気能率項(LRカイラリティの結合)𝜈

𝜈𝑗𝐿 𝑖𝜎𝜇𝜈 𝑞 𝜈𝑖𝑅
γ

𝜈𝑗𝐿
𝜈𝑖𝑅

SM: SU(2)Lｘ U(1)Y
𝜈1,2𝐿γ𝑊𝐿𝑒𝐿 , 𝜇𝐿 , 𝜏𝐿
𝜈3𝐿
𝜈3𝑅𝑚𝜈3

𝚪~ 𝟏𝟎𝟒𝟑 𝒚𝒓−𝟏

質量，GIM機構で抑制

LRS: SU(2)LｘSU(2)RｘU(1)B-L
γ
𝑊1

𝜈1,2𝐿

𝜏𝐿𝑚𝜏
𝜏𝑅

≃ 𝑊𝐿 − 𝜁𝑊𝑅𝚪~ 𝟏𝟎𝟏𝟕 𝒚𝒓

𝜈3𝑅−𝟏

LR混合角の抑制のみ

PRL 38,(1977)1252, PRD 17(1978)1395

𝑊1cos𝜁
=𝑊2sin𝜁

−sin𝜁
cos𝜁

𝑊𝐿
𝑊𝑅

標準模型に対して26乗の増幅
4C𝜈Bニュートリノ崩壊での光子のエネルギー(波長)•𝜈22– Δ𝑚12~ 7.65 × 10−5 𝑒𝑉 22𝑚32 − 𝑚1,22𝑚3

二体崩壊

m2=8.7meV
m1=1meV

Planck+WP+highL+BAO実験– ∑𝑚𝑖 < 0.23 eV

 50meV<𝑚3 <87meV𝑬rest=14~24meV (𝝀𝜸 =51~89m)𝜸

 distribution in ν3 → 𝜈2 + 𝛾

m3=50meVE =24.8meV(𝜆 = 50𝜇𝑚)•E =24meV(𝜆 = 51𝜇𝑚)

E =4.4meV(282𝜇𝑚)dN/d(a.u.)𝜈3𝐸𝛾 =2Δ𝑚23= |𝑚32 − 𝑚22 | ~ 2.4 × 10−3 𝑒𝑉 2–

3 静止系

𝛾ニュートリノ振動実験から短波長側に鋭いエッジ

10𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕
赤方偏移効果10050𝜇𝑚(25meV)

500

[m]
5

遠赤外域の前景・背景放射およびC𝜈Bニュートリノ崩壊光の寄与
CIB summary from Matsuura et al.(2011)

表面輝度 I [MJy/sr]

ZE

CMB
AKARI
COBE

at λ＝50μm
黄道光(惑星間ダストの熱放射)𝐼𝜈 ~ 8 MJy/sr

遠赤外線宇宙背景放射

ZL

𝜆𝐼𝜆 ~ 0.1-0.5 MJy/sr
ISD
DGL

CB ニュートリノ崩壊

CB decay

Expected 𝑬𝜸 spectrum

SL𝑚3 = 50meV

wavelength [m]E [meV]

λ＝50 μmE=25 meV𝜏 = 3 × 1012 yr𝑠𝐼𝜈 ~ 0.8MJy/sr

Excluded by S.H.Kim et. al 2012

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠
𝐼𝜈 ~ 25kJy/sr6

C𝜈Bニュートリノ崩壊光探索のための光検出器• 𝜆=50𝜇m 付近の高精度な波長分布– 𝜆=50𝜇m (𝐸𝛾 = 25meV)の光子を2%より良い精度で一光子分光• 一光子検出により検出器自体が作るノイズを低減• エッジ構造を持つC𝜈Bニュートリノ崩壊光の波長分布を同定– ロケット，または衛星実験• 地上実験は不可能• 超伝導トンネル接合素子(STJ)– 回折格子(𝜆 = 40 − 80𝜇m )と50ピクセル配列のNb/Al-STJ の組み合わせを用いたロケット実験• 200秒の測定で寿命測定感度 1014 年を目指す現在の3寿命下限を2桁改善– ハフニウムを用いた STJ (Hf-STJ) による衛星実験• ハフニウムの超伝導ギャップエネルギー： Δ = 20𝜇eV• 25meVの光子に対して Δ𝐸 𝐸 < 2% が達成可能
7寿命感度1014年を目指したロケット実験


高度200~300km にて200秒の測定



主鏡直径15cm ，焦点距離1m の望遠鏡
光学系は全て1.8K程度に冷却焦点位置に=40-80m (16-31meV) をカバーする回折格子と 50(波長方向)x 8(空間方向) ピクセル配列の遠赤外光検出器(Nb/Al-STJ)
 各々のNb/Al-STJ ピクセルで波長ごと(Δ𝜆 = 0.8𝜇𝑚)の光子計数
 1ピクセル当たりの受光面積は100mx100m (視野角100rad x 100rad)

Nb/Al-STJarrayΔ𝜃
8 rows𝜆 = 40 − 80𝜇m
𝜆𝐸𝛾 = 16~31meV
50 columns8寿命測定感度ロケット実験シミュレーションの諸元

•
•
•
•
•

望遠鏡主鏡直径: 15cm
50-column (: 40m – 80 m)  8-row ピクセル配列
一素子あたりの視野角: 100rad  100rad
測定時間: 200 sec.
光子検出効率100%，ダークカウントなし••

ニュートリノ崩壊が見えない場合 4-6  1014 年の下限設定可能
ニュートリノの寿命が 2  1014 年だった場合, 5 の有意度で観測可能
9Surface brightness I [MJy/sr]

C𝜈Bニュートリノ崩壊光探索ロケット実験における検出器要求
Zodiacal Emission

CMB

Telescope parameters• Main mirror– D=15cm, F=1m

• detector

Zodiacal LightISD

DGLCB decay

SL

Integrated flux from galaxy counts– 波長0.8m あたり
100m x 100m x 8 pixels
視野角 : 8 x 10-8 sr

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠wavelength [m]• ニュートリノ崩壊(𝑚3 = 50 meV, 𝜏𝜈 = 1 × 1014 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr– 3.3 x 10-20 W / 8pixels @ =50m• 黄道光8MJy/srのもと200sec の測定でこれを検出
 STJの性能としてNEP < 4.2 × 10−19 𝑊

𝐻𝑧 が必要10C𝜈Bニュートリノ崩壊光検出に要求される検出器NEP検出器視野角• 望遠鏡主鏡: D=15cm, F=1m
 波長0.8m (=c/50m-c/50.8m=94GHz)あたり
100m x 100m x 8 pixels  視野角 : 8 x 10-8 sr• ニュートリノ崩壊光 (𝑚3 = 50 meV, 𝜏𝜈 = 1014 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr @ =50m
𝑭𝑵𝑫 = 𝟐𝟓 𝒌𝑱𝒚 𝒔𝒓 × 𝟖 × 𝟏𝟎−𝟖 𝒔𝒓 × 𝝅 𝟏𝟓𝒄𝒎 𝟐 𝟐 × 𝟗𝟒𝑮𝑯𝒛 = 𝟑. 𝟑 × 𝟏𝟎−𝟐𝟎 𝑾 𝟖𝒑𝒊𝒙

• 黄道光: 𝑰𝝂 =8MJy/sr @ =50m
𝑭𝒁𝑬 = 𝟏. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟏𝟕 𝑾 𝟖𝒑𝒊𝒙

• t 時間でFZE を積分した際の揺らぎ
エネルギー𝜖𝛾 のフォトン数揺らぎ起因：𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡 𝜖𝛾 =𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡• 測定時間t，検出器NEP要件を決める不等式
𝑁𝐸𝑃 × 2Δ𝑡 <𝜖𝛾 𝐹𝑍𝐸 Δ𝑡 < 𝐹ND Δ𝑡 t>40sec (1), t>200sec (2.2 per =0.8m)
 NEP < 1.5 × 10−19 𝑊

𝐻𝑧 for t=200sec with 8 pix

 NEP < 4.2 × 10−19 𝑊

𝐻𝑧 per 1pix

11

産総研 CRAVITY 製 Nb/Al-STJ

M. Ukibe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 51, 010115 (2012)
M. Ohkubo et al., IEEE Trans. Appl. Super, 24, 2400208 (2014)

I

500pA/DIV

V100nA
10nA

0.2mV/DIVLeakage

T~0.3Kw/ B field

0.1nA

1nA50m  50m Nb/Al-STJ
fabricated in CRAVITY at AIST 100pA• Ileak~0.2nA を達成•

更に小さな junction size のもの
でテスト中

Temperature(K)
0.3

0.4

0.5

0.60.7• リーク電流のショットノイズ由来のNEPは，リーク電流iL=50pA, 超伝導
ギャップエネルギー=0.6meV, トラッピングゲインG=10とすると(読出し系由来のノイズを考えなければ)1.7Δ 2𝑖𝐿
NEP =~4 × 10−19 𝑊
G𝑒𝐻𝑧12

STJパルス光応答特性
V0R0=1MVIS laser
through
optical fiber

100uV/div
4us/div

STJ

冷凍機

T.Okudaira，2015.1.16

可視光(465nm)レーザーパルス応答性(AIST製
Nb/Al-STJ 100um角)STJ 応答信号時定数: 立下り ~1s, 立上り~2s

VI

V0=V+R0I(もしくは，これより早い)
定電流モードの回路(右上)で測定

0.4mV VSTJ I-V curve w/light w/o light• Nb/Al-STJは，~1s という比較的早い応答速度 光子計数を行えば，実効的なNEPは劇的に改善可能– 但し読出し系の帯域は>1MHzを確保する必要あり

13電荷積分アンプ読出しによる可視光(465nm)パルスに対するNb/Al-STJ 応答

10M

Laser pulse trigger

ChargeShaper
sensitive +amp.
pre-amp.

2V/DIV

産総研CRAVITY製100x100m2 Nb/Al-STJ

40μs/DIVCSTJ

I=I(V)

STJ
T~350m(3He sorption)

出力電荷からおよそ10光子検出であると評価された

Nb/Al-STJ の低入力インピーダンス電荷積分アンプ読出• STJ自体およびSTJ配線は比較的大きな静電容量(pF~nF)を持つ
 低入力インピーダンスの電荷積分型アンプでの読出しが必要• 室温に置かれた電荷積分型のアンプでの読出：ノイズ大• 一光子検出には，読み出し系のS/N改善が必須
STJの直近に置ける極低温電荷積分型アンプの開発

14

15

ニュートリノ崩壊探索実験 Collaboration Members
金信弘，武内勇司，武政健一，木内健司，永田和樹，笠原宏太，森内航也，
先崎蓮，八木俊輔，*大塚洋一 (筑波大学) ， *Hf-STJ開発
松浦周二 (関西学院大学)，
池田博一，和田武彦，長勢晃一 (JAXA/ISAS)，
吉田拓生，廣瀬龍太，加藤圭騎，浅野千紗，中村昂弘 (福井大学) ,石野宏和，樹林敦子 (岡山大学)，
福井大遠赤外領域開発研究センター
美馬覚 (理化学研究所),加藤幸弘 (近畿大学) ,羽澄昌史,新井康夫，倉知郁生 (高エネルギー加速器研究機構) ，志岐成友，浮辺雅宏，藤井剛，大久保雅隆 (産業技術総合研究所)，川人祥二 (静岡大学)

Erik Ramberg, Mark Kozlovsky, Paul Rubinov, Dmitri Sergatskov,
Jonghee Yoo (Fermilab)，
Soo-Bong Kim (Seoul National University)15

まとめ• 宇宙背景ニュートリノのニュートリノ崩壊探索実験を準備中– ロケット実験：200秒の測定で1014年の寿命測定感度– 衛星実験：100時間の測定で1017年の寿命測定感度• 検出器として STJ (Nb/Al-STJ + 回折格子, Hf-STJ)を開発中– 遠赤外(50m)の一光子検出・分光• Nb/Al-STJ 検出器での遠赤外一光子検出– 光子計数により，実効的なNEP で< 10−20 𝑊 𝐻𝑧 を目指す
– STJのすぐ近くに配置した電荷積分型アンプによる読出しが必要
SOI技術を用いた極低温アンプの開発
Hf-STJ 開発  武政(筑波大)SOI極低温アンプ設計  木内(筑波大)STJ較正用遠赤外光源開発  浅野(福井大)SOI-STJ4評価  先崎(筑波大)CRAVITY製Nb/Al-STJ評価  森内(筑波大)16Backup17

Superconducting Tunnel Junction (STJ)• Superconductor / Insulator /Superconductor
Josephson junction device2Superconductor
Insulator

E

300nm

Ns(E)
Superconductor
Superconductor
Insulator

Δ: Superconducting gap energy
接合面を挟んで電位差(|V|<2Δ)を印加.
超伝導体に吸収された光子のエネルギーにより複数のクーパー対が解離(励起)し，生成された準粒子によって，エネルギーに比例したトンネル電流が発生．
• 超伝導ギャップ(Δ)は遠赤外フォトンのエネルギーよりもずっと小さい 
原理的には，遠赤外域一光子を検出可能• ~s 程度の比較的高速なパルス応答(Nbの場合)  光子計数することでS/Nの著しい向上
18

STJ I-V 特性• Sketch of a current-voltage (I-V) curve for STJ
 The Cooper pair tunneling current (DC Josephson current) is seen at V =0, and the quasi-particle tunneling current is seen for |V|>2

2Δ

B field
Leak current
光入射の場合Josephson current is suppressed by magnetic field
19

Proposed rocket experimentwith a diffraction grating and Nb/Al-STJ array combination200-sec measurement at altitude of 200~300km


Telescope with diameter of 15cm and focal length of 1m
All optics (mirrors, filters, shutters and grating) will be cooled at ~1.8K

At the focal point, diffraction grating covering =40-80m (16-31meV) andarray of Nb/Al-STJ pixels of 50(in wavelength distribution) x 8(in spatialdistribution) are placed
 Each Nb/Al-STJ pixel is used as a single-photon counting detector for FIR

photon in =40−80m (Δ𝜆 = 0.8𝜇𝑚)
 Sensitive area of 100mx100m for each pixel (100rad x 100rad in viewingangle)
Nb/Al-STJarrayΔ𝜃
8 rows𝜆 = 40 − 80𝜇m
𝜆𝐸𝛾 = 16~31meV
50 columns

20Surface brightness I [MJy/sr]

Expected precision in the spectrum measurement
Zodiacal Emission

CMB

Telescope parameters• Main mirror– D=15cm, F=1m

• detector

Zodiacal LightISD

DGLCB decay

SL

Integrated flux from galaxy counts

wavelength [m]

• Zodiacal emission ⇒ 343Hz / pixel– sensitive area
100mx100m / pixel– 50 x 8 array
Δ𝜆 =80𝜇𝑚−40𝜇𝑚= 0.8𝜇𝑚50

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠– 200sec measurement: 0.55M events / 8 pixels (at 𝜆 = 50𝜇𝑚)– 0.13% accuracy measurement for each wavelength: 𝜹 𝑰𝝂 =11kJy/sr• Neutrino decay (𝑚3 = 50 meV, 𝜏𝜈 = 1 × 1014 yrs): 𝑰𝝂 =25kJy/sr– 2.3σ away from statistical fluctuation in ZE measurement

 decay with 𝝉𝝂 = 𝟏𝟎𝟏𝟒 yrs is possible to detect, or set lower limit!

21

Energy/Wavelength/Frequency

𝐸𝛾 = 25 meV
𝜈 = 6 THz
𝜆 = 50𝜇𝑚
22STJ back-tunneling effect• Quasi-particles near the barrier can mediate Cooper pairs, resulting intrue signal gain

– Bi-layer fabricated with superconductors of different gaps Nb>Al to enhancequasi-particle density near the barrier– Nb/Al-STJ Nb(200nm)/Al(10nm)/AlOx/Al(10nm)/Nb(100nm)• Gain: 2～200

PhotonNb

AlAlNb23

STJ energy resolution
Statistical fluctuation in number of quasi-particles  energy resolution
Smaller superconducting gap energy Δ yields better energy resolution

𝜎𝐸 =Δ: Superconducting gap energy
F: fano factor
E: Photon energy

1.7Δ 𝐹𝐸SiNbAlHf9.23

1.200.165

Δ[meV] 1100 1.5500.172

0.020

Tc[K]
Nb

Well-established as Nb/Al-STJ(back-tunneling gain from Al-layers)

Nq.p.=25meV/1.7Δ=9.5

Poor energy resolution, but asingle-photon detection ispossible

Tc :SC critical temperature
Need ~1/10Tc for practicaloperation

Hf

Hf-STJ is not established as a practical photon
detector yet

Nq.p.=25meV/1.7Δ=735

2% energy resolution is achievable if Fano factor <0.3
for a single-photon
24STJ キャパシタンス測定

STJ

Current (nA)0CSTJ

I=I(V)

40100mx100m

緑：実測 (f=2kHz)
黒：シミュレーション-40CSTJ=0.9nF, 1.2nF,1.5nF, 1.8nF

STJ 等価回路

Voltage (mV)

-0.4

00.4

STJ は，junction size に比例したキャパシタンス• STJのI-V測定からSTJのキャパシタンスを測定• SIS接合面の面積に比例する成分： ~34fF/m2
 20m角のSTJでも 14pF
 低入力インピーダンスの電荷積分型アンプでの読出しが必要
25

Development of SOI-STJ• SOI: Silicon-on-insulator– CMOS in FD-SOI is reported to work at 4K by T. Wada (JAXA), et al.

J Low Temp Phys 167, 602 (2012)• SOI と STJ の融合 (SOI回路一体型 STJ の基礎研究)– STJ layers are fabricated directly on a SOI pre-amplifier board andcooled down together with the STJ• Started test with Nb/Al-STJ on SOI with p-MOS and n-MOS FET640 um

STJ Nb
SOImetal pad

VIA

SOI-STJ2 circuit

Dcapacitor

GCS

700 um

STJ lower layer has electricalcontact with SOI circuit through
VIA

STJ

FET26

1mA

1mA/DIVdrain-source current

SOI上にSTJを形成後の特性
1A

2mV/DIV

1nA

B~150Gauss
1pA

-0.2

00.2 0.4 0.6

0.8

I-V curve of a STJ fabricatedgate-source voltage (V)at KEK on a FD-SOI wafer
nMOS-FET in FD-SOI wafer on which a STJ
is fabricated at KEK• Both nMOS and pMOS-FET in FD-SOI wafer on which a STJ isfabricated work fine at temperature down below 1K– 極低温では，スレッショルド電圧のシフト，サブスレッショルド領域のドレイン電流抑制，飽和領域でのドレイン電流の上昇など，特性が変動• Nb/Al-STJ fabricated at KEK on FD-SOI works fine
• We are also developing SOI-STJ where STJ is fabricated at CRAVITY27