COBAND実験
最近の進展：IBS/CUPでの Hf-STJ測定，他

2019年11月41日
2019年度第２回宇宙史研究センター構成員会議

武内 勇司
1COBAND(Cosmic Background Neutrino Decay)
宇宙背景ニュートリノの中で起こるニュートリノ崩壊からの遠赤外光（ ～50m ）を探す

𝜈2
𝜈1
𝜈3
𝜈2
𝜈3

𝜈3

𝜈1

𝜈3
𝜈1

𝜈3𝜸𝜸
𝜈22

期待される宇宙背景ニュートリノの崩壊光の波長分布 distribution in ν3 → 𝜈2 + 𝛾dN/d(a.u.)

Sharp Edge with
1.9K smearing

𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕Red Shift effect

10500 [m]100

100 50201050𝜇𝑚(25meV)

5E
[meV]

鋭いエッジを持った分布は，ある質量を持った粒子の二体崩壊によるもの➔ニュートリノ崩壊の決定的証拠

3

Surface brightness I [MJy/sr]

Neutrino Decay signal and backgrounds
ZodiacalEmission
𝑰𝒁𝑬 =8MJy/sr

100 CIB summary from Matsuura et al.(2011)

Zodiacal Emission

CMB

10Expected Neutrino
Decay signal

10.1

Zodiacal Light

0.01

ISD

0.001

0.00011DGL

SLCB decay

Integrated flux from galaxy counts

10100

wavelength [m]

𝜏 = 1 × 1014 yr𝑠𝒎𝟑 = 𝟓𝟎 𝐦𝐞𝐕𝑰𝝂 =25kJy/srCurrent experimental
lower limit is 1012 yrs

1000

We can identify  decay signal by highly precise measurementof photon energy spectrum around ~50m4

COBAND 実験提案
ニュートリノ寿命測定感度目標𝜏 𝜈3 = Ο 1014 yr𝑠◼

JAXA 観測ロケット S-520
◼
◼
◼
◼

◼

http://www.jaxa.jp/projects/rockets/s_r
ockets/index_j.html
直径: 520mm
ペイロード: 100kg
到達高度: 300km

高度200～300km で200秒の測定◼

◼

主鏡直径20cm ，焦点距離80cm の望遠鏡
光学系(主鏡，副鏡，フィルター，シャッター，回折格子等)は全て1.8K程度に冷却 将来計画：衛星実験◼
◼

検出器の視野角を増やし，60日程度の測定1017年の測定感度を目指す
5

COBAND 実験の要求する光検出器• ニュートリノ崩壊を同定するため ～50m域スペクトル測定により崩壊光子エネルギー端検出が重要• 光強度測定の系統誤差 << 光子数の統計誤差．

～50m (E=25meV)単一光子検出が可能な性能• Dark count rate が到達可能な光強度測定の感度を決める• Superconducting Tunnel Junction (STJ) sensor• Cryogenic amplifier readout6

超伝導トンネル接合素子 Superconducting Tunnel Junction (STJ)
超伝導体/絶縁層/超伝導体の構造（ジョセフソン接合）

E

超伝導体
絶縁膜

300nm 2Ns(E)

超伝導超伝導絶縁層
Δ: 超伝導ギャップエネルギー
接合面を挟んで電位差(|V|<2Δ/e)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(＜1meV)➔原理的には，遠赤外域一光子を検出可能
7

電流

STJ I-V 特性
2Δ

DC光照射ありなし-2/e2/e 電圧
リーク電流
ジョセフソン電流

磁場印加により抑制
B field
8

STJの候補
Nb/Al-STJ

SiTc[K]Δ[meV]

NbAl

Hf

9.23

1.200.165

1100 1.550

0.1720.020• 最もよく使われていて，製法も確立••••

Al層を入れることにより，近接効果で Δ~0.6meV
実用運転の温度 <400mK
バックトンネルゲイン ~10
Nq.p.=25meV/1.7Δ10~ 250 E/E~10% for E=25meV➔ 25meV の一光子検出も原理的には可能．分光光学系と組み合わせ➔ ロケット実験に使う光検出器候補

Hf-STJ• 我々を含め世界中のいくつかのグループが開発中または開発を試みたが，まだ実用段階のものができたという報告はない• Nq.p.=25meV/1.7Δ~ 735• 25meV の一光子に対して2% のエネルギー分解能➔ 分光光学系なしでエネルギー分布測定可能➔ 将来の衛星実験に使う光検出器候補
910

ニュートリノ崩壊探索実験
COBAND(COsmic BAckground Neutrino Decay)
Collaboration Members (2019年11月)

金信弘，武内勇司，飯田崇史, (武政健一)，浅野千紗，若狭玲那，笠島誠嘉，中原瑳依子，前川群，山根 綾太，大塚洋一 (筑波大学)
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，鈴木健吾，竹下勉，浅胡武志(福井大学) ,石野宏和，樹林敦子 (岡山大学)，
美馬覚 (理化学研究所), 木内健司(東京大学)，
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) ，浮辺雅宏，志岐成友，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, Paul Rubinov, Dmitri Sergatskov (Fermilab)，
Soo-Bong Kim (Seoul National University) ，Yong-Hamb Kim, Hyejin Lee (IBS/Center for Underground Physics) New!

10Hf-STJの作製(2008年)
理研（和光)のICP-RIEでのエッチングでHfの加工に成功（武政修論）

ボンディングワイヤ
Hf(250nm)
Hf(250nm)
Si wafer

酸化層を確認
EDXでもOKHf

作製手順
1. Hf（下層）のスパッタリング
2. 酸素雰囲気中で酸化
3. Hf(上層)をスパッタリング
4. レジストでパターニング
5. ICP-RIEでエッチング
6. ワイヤーボンディング
11希釈冷凍機立ち上げ(2008年)
筑波大低温物性グループ（大塚研）より希釈冷凍機を借用◼ 2009年7月に49mKを達成/ 2012年2月28mK

Feb. 2012

28mK

12

KEKの超伝導検出器開発システム(2009～)

イエロールーム

ICP-RIE(2010.3～)

アライナー
13

Hf-STJ で SISジャンクション形成を確認（ 2010年木内修論）@120-130mK
200𝜇𝑚 × 200𝜇𝑚

𝐼𝑐 = 24𝜇𝐴
𝑅𝑑 = 1Ω2ΔΤ𝑒 = 40𝜇𝑉

ILEAK=20A@20V

Hf-HfOx-Hf 構造でジョセフソン電流を確認
14

Hf-STJ の可視DC光に対する応答を確認（ 2013.4永田）
青色レーザーON
HfA1 j2:
100×100μm2
T=39～53mK
Ic=10μA

Rd=0.6Ω

ILEAK=33A@20V

青色レーザーOFF

50μA/DIV

20μV/DIV
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HfOx絶縁膜に薄いAl層を加えたHf-STJ (2016武政)• ハフニウム酸化層の上に薄いアルミニウム層を用い，従来のHf-STJよりリーク電流密度を低減に成功– しかし，リーク電流要求値 数pA に対して，200m角で 6A• このサンプルで可視光パルス（465nm）応答を確認– 入射エネルギーは不明．
– 光は一点でなく全面に当たる．

ILEAK=6A@20V

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IBS CUPでの冷凍機実験(2019.3～2019.6)

ADR無冷媒断熱消磁冷凍機◼ Hf-STJのI-V測定, X線(55Fe)応答試験 (40mKくらいまで可能)◼

17

IBS CUPでの冷凍機実験(2019.3～2019.6)
ADRの最低温ステージに◼ STJサンプル◼ コリメータ◼ フィルム封印のX線(55Fe)◼ 磁場印加用ソレノイドを設置

X-ray source

STJCollimator
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IBS CUP での Hf-STJ 測定(1)200m 角の Hf-STJ @32mK• 表面粗さを指標に Hf のスパッタ条件を探索し，Hf/Al-STJ と同程度のリーク電流を達成したサンプルを使用• 32mKにてリーク電流約2A(@20V)

zoom
20μA
20μV

w/ B-field

w/o B-field

ILEAK=2A@20V
19

IBS CUP での Hf-STJ 測定(2)リーク電流の温度依存性

20

IBS CUP での Hf-STJ 測定(3)X線応答STJに定電流を印加し，STJ両端の電位差を差動アンプで測定
X線の信号は電圧降下パルスとして見える．

Iconstant current
V
STJ I-V curve w/light w/o light
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IBS CUP での Hf-STJ 測定(4)X線応答

X-ray spectrum by Hf-STJ
6050

Counts/50eV

40

σ /E=6.9%30963 eV FWHM
201000

2000

4000

6000

8000

•

応答波形からエネルギー分布を作り，既知の55Feの Kα, Kβ のエネルギー及び強度比を使って double gaussian で分布を fit•

6keVに対する /E=6.9%•Nb/Al-STJ や TES で達成されている分解能には遠く及ばないが，Hf-STJ
では世界初！
22

ロケット搭載用試作冷凍機 (2017.12)• 液体ヘリウム減圧冷凍機(<2K)部分のみ• ソープションポンプ式He3冷凍機部分は未搭載• 2017.12にテスト（最低温2.2K） 外からの熱流入が課題

23光学系，他• ロケット実験に向けた回折格子を含めた光学系の設計が進行中• 回折格子を試作．福井大の遠赤外センターでの実測を行った．測定
結果をシミュレーションと比較し，回折格子設計に反映させる．
• 焦点位置で分光後の光をSTJ検出器へ集める集光用ホーンの設計に着手• STJ信号の冷凍機内増幅のための極低温SOI電荷積分型増幅器の高利得化に成功：開ループ利得の更なる向上（負帰還回路時の低入力インピーダンス実現）が課題

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まとめ
• X線ではあるが単一光量子の応答信号をHf-STJ で観測した．
これは，世界初である．
• ただし，現状のHf-STJ製作手法では，リーク電流の劇的な改善は期待できず，COBAND衛星実験の要求リーク電流値を満たすには，別の薄膜・酸化膜形成装置を用いたアプローチが必要だろう．

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