「インジウムを用いたpp7− Be太陽ニュートリノ実験」
宮城教育大学 福田善之、佐藤哲也
東大宇宙線研 森山茂栄、塩澤真人、小汐由介
竹内康雄、難波俊雄
浜松ホトニクス（株）固体事業部
犬塚智也、井澤利之

１．目的
1996年に開始したスーパーカミオカンデ（SK）は、大気ニュートリノの観測データから1998年にミューニュートリノ振動の証拠を発見した。その後に行われたK2K実
験では、KEKの1GeVPSで生成したνμビームをSKに入射した結果、観測数は期待値に対して有意に低く、エネルギー分布も歪んでいたことから、2004年6月にミューニュートリノ振動を99.99%C.L.で確定した。一方で，SKは8B太陽ニュートリノのフラックスおよびエネルギー分布の観測から電子ニュートリノ振動がLMAである可能性をいち早く示唆し，2001年に発表されたSNOの荷電カレントによる観測結果と総合すると電子ニュートリノ振動が確立するという画期的成果を得た。又、全ての太陽ニュートリノ実験の結果を基にニュートリノ振動に対するglobal fitを施すと、LMA領域にニュートリノ振動解が存在していることがわかり、KamLANDの原子炉ニュートリノの観測結果もそれを強く支持している。以上のことから、次世代の太陽ニュートリノ実験の主な目的として，以下の２点が挙げられる。
1)ニュートリノ振動の混合角θ12の精密な測定
2)恒星進化論の検証等の太陽物理の総合的研究

電子ニュートリノ振動における混合角θ12の精密測定には，ppサイクルの初期過程で生成されるpp及び7Beニュートリノフラックスやエネルギー分布を正確に測定することが重要である。これらのニュートリノはエネルギーが1MeV以下と低いため，技術的な問題だけでなく自然バックグラウンドが大量に存在するため，測定が困難である。現在尤もらしいLMA解では、5MeV以下で電子ニュートリノの存在確率が図１のように増す傾向があり，その形状が混合角θ12に強く依存しているため、ppと7Beニュートリノのフラックス（とエネルギー分布）を測定出来る実験が求められている。
荷電カレント反応を用いた実験が混合角θ12の測定に有利である。

2．インジウムを用いた太陽ニュートリノ実験の原理
1976年、R.Raghavanは115Inが低エネルギー太陽ニュートリノを捕獲する反応断面積が大きいと提唱し、4tonのインジウムで1年あたりpp-νが377事象、7Be-νが102事象である。
115Inによる電子ニュートリノ捕獲反応は115In + ν → 115Sn* + e−e（Ee = Eν−128keV）

捕獲後のSn*は励起状態で，半減期4.76μsで基底状態に遷移する。
115Sn* → 115Sn + γ (116KeV) +1

γ2(497keV)

崩壊に伴い２本のγ線を放出するが、γ1は50%の確率で内部転換を起こす。

図３は、4tonのインジウムによりpp太陽ニュートリノを5年間測定した場合のニュートリノ振動の混合角θ12の判別感度の図である。期待されるイベント数は1885イベントである。ニュートリノ振動を仮定し、検出器のエネルギー閾値を100keVとすると、約720イベントとなる。統計誤差とSSMの理論誤差を考慮した全体の誤差は3.9%である。
インジウムの反応が荷電カレントのみの反応なので、赤線の感度となり、XMASS実験に近い感度になることがわかる。

3．プロトタイプ SI InP放射線検出器使用したFeドープの半絶縁性InP
ウエハーは、米国AXT社のVGF法(Vertical Gradient Freeze)結晶成長によるもので、直径2インチ、厚さ500±25mmの基板である。プロトタ
イプ SI InP放射線検出器は，浜松ホトニクス(株)固体事業部の協力で製作された。現在のプロトタイプ検出器の描写図と実際の表面の写真を図４に示す。電極はオーミック接合により、接触している。

検出器は全体で５種類存在する。それぞれを表のように区分する。

検出器番号

電極

電極面積

No.1−6

旧タイプ

No 7−12

旧タイプ

No.13−16
No.17−18
No.19−20

新タイプ

3㎜×3㎜
6㎜×6㎜
6㎜×6㎜
3㎜×3㎜
6㎜×6㎜

新タイプ
新タイプ

InP厚さ500µm
500µm
500µm
500µm200µm（ 旧タイプの電極 Cr−Au、Au−Ge/Ni/Au
新タイプの電極 Au−Zn/Au、Ti−Au）

図６は、神岡宇宙素粒子研究施設に敷設した超低バックグラウンドGe検出器によって測定したInP結晶に含まれるU/Th系列によるγ線のエネルギースペクトルである。

InP結晶の量は4.7gであり、115In3.7gに相当する。すでに知られているピーク値を用いて計算すると、InP結晶に含まれるU/Th系列は、それぞれ5×10-11g/g、3×10-11g/g以下になる。これは、その素材自身がとてもクリーンであり、そして放射線源により発生するバックグラウンドがごくわずかであることを示す。

4．放射線による反応
γ線による放射線応答性を測定した。
反応した電子がエネルギー損失し、電子・ホール対を生成する。
電子・ホールの電荷は、図7の拡散長に従い収集される。
拡散長は、キャリアーの移動度と寿命と電場に比例する。

使用したγ線源は133Ba、57Co、137Csの３種類である。図９にNo.7で観測されたγ線のエネルギー分布を示す。
133Baの356keV(62%)のγ線のコンプトン端および光電ピーク、および276keV(7%)、302keV(18%)のγ線の光電ピークが観測されている。ここで、
図9の点線は電子・ホール対生成エネルギーを0.3eV、キャリアーの拡散長を600µm）のシミュレーションである。
InPのバンドギャップから計算される電子・ホール対生成エネルギー4.2eVの約1/10であり、Geに匹敵する大量の電荷を生成していることを世界で初めて確認した。

今後の課題及び予定（ア）検出器の個体差が大きいため、電極蒸着の方法を確立しなければならない → ショットキー蒸着を行う（イ）大量の電荷を生成しているにも拘わらず、拡散長が短いため100keV付近のγ線が見えない、分解能も悪い → 検出器を冷却

ＩｎＰデバイス 温度特性
1000.00（A）（B）

拡散長を拡大する
熱雑音を低下する

素子抵抗 [MΩ]

100.0040-2 3㎜□
44-3 3㎜□
49-3 3㎜□
40-3 6㎜□
44-2 6㎜□
49-3 6㎜□

10.00

1.00

0.100.01
010203040506070

温度 [℃]

図11：抵抗の温度依存性

8090100

5．太陽ニュートリノInP実験
10㎝×10㎝×0.05㎝のbulkサイズ
SI InP検出器を仮定する。
検出器の重さ 24g(ρ=4.79g/cm3)→インジウム19gに相当
115（ Inの自然存在比 約96%）
115Inを4トン使用すると仮定すると、220,000チャンネルのモジュールが必要となる。このモジュールは、10mm×10mm×500μmの検出器100個を111mm×111mmの大きさの基板上に配置し、バイアス電圧を並列印可し、信号は一つにまとめて取り出す多素子型構造を考える。このモジュール25個を5列×5列で基板上に配置したものを一層と考え、その層を10層重ねたものをスーパーモジュールと呼ぶ。

スーパーモジュールは、上下に互い違いにNaIシンチレータを設置し、同時計測により突き抜けミューオンを選別するトリガー回路を構築できるという特徴がある。

スーパーモジュール1331個を積み重ねた時の全体像

図17は、1スーパーモジュールの中心でppニュートリノ観測をした場合のシミュレーションである。ここで検出器は100keVで10%のエネルギー分解能であると仮定した。中心に位置するモジュール検出器は，捕獲反応からの放出電子と、115Sn*からのγ1の一部とγ2のコンプトン電子を観測しており、周りのNaIシンチレータは，残りのγ1とγ2の残りを観測している。但し、γ1の内部転換電子は考慮していない。

ppニュートリノ検出効率は、約80%と予想される。

6．その他の物理
InP太陽ニュートリノ実験の測定器では、692tonのNaIシンチレータを使用するハイブリッド型であるため、そのシンチレータを利用した観測も行うことができる。

①暗黒物質の探索
この測定器のNaIシンチレータは、CDMSやDAMAで現在行われている暗黒物質探査の実験で用いられているNaIシンチレータよりも10倍ほど大きく、より多くのイベント数を期待することができる。
② 超新星爆発に伴うニュートリノバーストの観測③ 過去の超新星爆発に由来するニュートリノの観測

７．実験のコスト評価•InP SIモジュール全体：約20億円•低バックグラウンドNaI：約40億円•エレクトロニクス：約30億円•掘削費用：？円

実験装置製作費用：約90億円