※写真はイメージです

ニュートリノ崩壊光探索
COBAND実験用
遠赤外光学系設計開発
2021 Jun. 25th
飯田崇史(筑波大)
for the COBAND collaboration

宇宙史研究センター（TCHoU）構成員会議＠Zoom

目次• ニュートリノ崩壊• COBAND実験• 光学系開発• 遠赤外用回折格子• 光学系全体• まとめと今後

Neutrino decay in standard modelTwo body decay

ν →ν + γ
32Physics of Neutrinos, M. Fukugita, T. Yanagida (2003)

2𝑚𝑚32 − 𝑚𝑚22 Δ𝑚𝑚23𝐸𝐸𝛾𝛾 ==2𝑚𝑚32𝑚𝑚3○崩壊確率 in SM

2Using Δ𝑚𝑚23= (2.43 ± 0.09) × 10−3 eV 2𝐸𝐸𝛾𝛾 = 10～25 meV at 𝜈𝜈3 rest frame.

 ニュートリノ質量の小ささで抑制
カイラリティ反転が起きづらい。
Γ ∝ mν5

 GIM機構で抑制
以下の項の主要部分がキャンセル

SMでは、1043 year以上の寿命が予想される。

33𝐹𝐹 𝑥𝑥 ~ − 2 + 4 𝑥𝑥 , (x<<1)Neutrino decay in Left-Right symmetric model○LR対称模型

cos𝜙𝜙
𝑊𝑊1=𝑊𝑊2
sin𝜙𝜙SU(2)LｘSU(2)RｘU(1)B-L−sin𝜙𝜙
cos𝜙𝜙

𝑊𝑊𝐿𝐿
𝑊𝑊𝑅𝑅

質量固有状態、カイラリティ固有状態の混合。
𝜙𝜙は、混合角。

 中間状態のレプトンによるカイラリティ反転が許容。  Γ ∝ mτ2mν3
 重いτのダイアグラムが顕著に効いてくる。  GIM抑制がない

LR対称模型では、τ≃1017 yearの寿命もありえる。26桁のブースト！

Recent result of XENON1T
最近の結果からLR対称模型をサポートしうる結果（？）を紹介• 2020年にイタリア・LNGSの暗黒物質探索実験XENON1Tが、低エネ
ルギー側で電子反跳信号の超過を報告！
Phys. Rev. D., 102, 072004 (2020)○ニュートリノ磁気能率による断面積＊標準理論

μνi～3.2×10-19(mνi/1eV) μB＊LR対称模型μνi～O(10-11~-12) μB

Physics of Neutrinos, M. Fukugita, T. Yanagida (2003)

XENON

DirectIndirect

我々の推しである、LR対称模型と矛盾しない！ただし、アクシオンなど他諸説あり。

Neutrino decay of CνB
ビッグバンから約１秒後、宇宙がT<1MeVに冷えると、ニュートリノは熱平衡から切り離され自由に飛び回る。

102• 現在のニュートリノ温度 Tν＝1.95 K• 宇宙には光子に次ぐ大量のニュートリノが存在している！しかし、未発見！！
• ニュートリノ崩壊光探索に最適。

10-7~330 ∕ cm3

COBANDの目的 まとめ
COsmic BAckground Neutrino Decay search
1. 宇宙背景ニュートリノの発見
2. ニュートリノ質量絶対値の決定
3. 標準理論を超えた物理への突破口
どれ一つ取ってもノーベル賞級の発見！

ＣＯＢＡＮＤロケット実験

ニュートリノ寿命感度で、𝜏𝜏 𝜈𝜈3 = Ο 1014 yr𝑠𝑠※ を目指す

JAXA S-520ロケット•※ 現在の感度の１００倍

Diameter: 520mm
Payload: 100kg
http://global.jaxa.jp/projects/rockets/s_rockets/

200-sec measurement ataltitude of 300km in 202X.
光学系担当

8

ニュートリノ崩壊光のＥ分布◎CνB崩壊光のスペクトル2Δ𝑚𝑚23𝐸𝐸𝛾𝛾 =2𝑚𝑚3

 ニュートリノ質量で決まる位置で鋭いカットオフ！
𝑚𝑚1 ≪ 𝑚𝑚2 < 𝑚𝑚3 , 𝑚𝑚3 = 50 meV, m2 = 10 meV と仮定すると、
𝐸𝐸𝛾𝛾 𝜈𝜈3 → 𝜈𝜈2 + 𝛾𝛾 = 24 meV → 𝜆𝜆=51μmの遠赤外光！
 赤方偏移によって低Ｅ側にテール
これまでの赤外線観測結果

主要BG： 黄道輻射（Zodiacal Emission）
𝐼𝐼𝜈𝜈 ~8MJy/sr𝜏𝜏 = 5 × 1012 yr𝑠𝑠𝐼𝐼𝜈𝜈 ~0.5MJy/sr

今の下限値 (S.H.Kim 2012)𝜏𝜏 = 1 × 1014 yrs𝐼𝐼𝜈𝜈 ~25kJy/sr

次の目標！

ＣＯＢＡＮＤ実験概要◎検出原理
1.
宇宙からの光を望遠鏡で集光
2.
後段の光学系（回折格子）で波長ごとに分光
3.
Nb/Al-STJを用いて遠赤外一光子をカウント
Grating◎回折格子＋Pixel検出器

Primary
Nb/Al-STJ array
Focal Point
2ndaryλ◎光学系への要求
λ = 40-80 µm の遠赤外光を2%の波長分解能で測定！
※宇宙観測のプロからのアドバイス大歓迎です！！

50 pixel

10

COBAND光学系の開発
感度 τν~1014 year を達成するための光学系への要求
ロケットの空間的制限

焦点のスポットサイズ
回折限界 / STJのサイズ
光学系の収差◎今日のお話
１． 独自の回折格子開発と、分光性能の評価
２． 光学系全体の設計と、集光性能の評価

回折格子• 遠赤外（40-80µm）の回折格子は激レア。
• 堀場製作所は既製品あり（～￥20万）◎回折格子方程式
α: Incident angle
β: Reflected angle
d: Interval of groove
λ: Wavelength

 光学系からの要請：40-80μmの光を、分散角8~16度で回折。
堀場の既製品では分散角が数10度と広いため、収差が悪くなる。

COBAND実験用遠赤外回折格子の開発を行った。

回折格子設計高橋光太郎（2019年卒業）• 回折格子シミュレータ（DiffractMOD）で、ブレーズド回折格子をデザイン。
• 40~80µmの波長に対して：1次回折光の効率が50%以上8度または16度の分散角。
• 以上を満たすように、溝幅とブレーズ角をシミュレーションで決定。
• 材質は遠赤外光に対して反射率の高いアルミを用いる。
365µm幅のシミュレーション結果デザインした回折格子２種のパラメータ

使いたい領域

大企業に回折格子作成を相談
S津製作所

H場製作所

自前で作成を決意
設計図を作って機械加工の業者に作成を委託することに。

回折格子の作り方◎機械加工• 静岡にある機械加工の会社。
• ４社に断られ、５社目でやっと引き受けてもらった。
• アルミ板を通常のフライス盤で加工。
※単結晶ダイヤの特注工具を用いれば表面精度が上がるといわれたが、時間がかかるようなので普通の工具で加工し、鏡面は別途真空蒸着で対応することにした。

◎真空蒸着• 福井にある真空蒸着の会社。
• 回折格子表面を、純度９９％のアルミまたは金でコーティング。膜厚は100nm程度。
• さらに酸化防止のためSiO2保護膜を塗布。

回折格子完成！
結果として1000万コースといわれた回折格子が、20万以内で作成できた！！
良いものが出来たかは、この時点では不明。
作った回折格子にレーザーを照射

顕微鏡で見た回折格子表面

実際に用いたい遠赤外の光を照射して性能評価へ福井大学での回折格子試験• 福井大学遠赤外領域研究開発センター• 遠赤外線分子レーザー装置• CO2レーザーの光をCH3OD等に吸収させて、出てくる遠赤外の光を利用。
• 分子を変えることで様々な波長の光が利用可能となる。
発振波長
[μm]

42.647.6
57.2
70.586.4

試料ガス

偏光方向

FIR出力
[mW]

CD3 OH||2.0||

36.6

⊥

28

⊥

30||

-CH3 ODCH3 OD

CH3 OH
CD3 OH

強度や偏光方向を考慮し、今回は5種類の波長を測定した。

実験セットアップ• レーザーは共振管の温度変化等により、強度が若干不安定なので、モニターとの比を取った。
• 回折格子を回転させて、各波長ごとに入射角を変えながら、回折角β、回折効率を測定した。
焦電検出器
ハーフミラー

平面鏡60mm

遠赤外分子レーザー

11.9°

凹面鏡
(f = 750mm)

凸レンズ(F=150mm)

ビームモニター（焦電検出器5mmφ）

回折効率 =電圧比(1次)合計電圧比(0- 2次)

350mm

回折格子

回折格子の実験結果①前川群（2021年卒業）◎回折角度の測定

回折角[°]

150155μm、金蒸着

100

実測
予想

500

• 波長57.2μmのレーザーを使って、入射角度 vs 回折角度の分布を測定（左）。
• 実測と予想はどんぴしゃ一致し、回折格子として機能していることが分かる。

一次回折光の角度

020406080◎溝幅の回折効率比較
100

入射角[°]• （下図）溝幅による回折効率の入射角依存性。
• こちらも実測とシミュレーションは良く一致した。
• 45度での回折効率はどちらもほぼ１。
溝幅155μm、金蒸着溝幅365μm、金蒸着
110-90-45シミュレーション
シミュレーション
シミュレーション

回折効率

回折効率

0次
1次2次実験
実験
実験

入射角(deg)

00次
1次
2次

0-90-45シミュレーション
シミュレーション
シミュレーション

実験
実験
実験

入射角(deg)0

分散角が狭いほうが収差を抑えやすいので、365μmを使用することに決定20

回折格子の実験結果② [材質比較]
金蒸着、アルミ蒸着の２種の回折格子（溝幅365μm ）に対し、入射角依存性、波長依存性を確認した。
入射角依存性

波長依存性(入射角45°)

1.0

回折効率

回折効率

Au蒸着

0-901.0-45
入射角
(deg)

0-45
入射角(deg)003060波長(μm)

903060波長(μm)

901.0
回折効率

回折効率

Al蒸着

1.00-900

シミュレーションと良く一致しており、また、材質による違いも特に見られない。
価格が安く、異種金属接触（ガルバニック）腐食が起こりづらいアルミ蒸着のものを用いることに決定した。

21

回折格子の実験結果③ [回折光の広がり]• 回折格子表面の機械切削による跡によって分解能の悪化が発生しているかを確認した。
• 焦電検出器を0.5㎜ずつ動かして測定を行った。
影響があれば回折後のビームは広がるはず。
回折格子表面波長47.6μm,回折格子:365μm_Al蒸着
回折前

回折前
回折後

ビーム幅4σ(mm)8.55±0.13
7.10±0.13

回折後回折前後でビームの広がりは見られない。
切削跡の影響は無いと考えられる。

COBAND実験用遠赤外回折格子の作成に成功！￥２０万以下！！

22

COBAND光学設計

橋本遼（関西学院大）前川群（2021年卒業）• 開発した回折格子を組み込んだ光学系全体を設計。
• 光学シミュレータCODE-Vを用いて以下の二種類の光学系を検討。
カセグレン式

軸外し型

 収差を小さくしやすい。
 副鏡の支えなどによって迷光を作りやすい。

 迷光を少なくできる。
 限られた空間で配置が難しい。

※迷光：本来のルートを通らず検出器に入射する光。

両方の設計を検討した結果、カセグレン式を採用！

集光効率の算出• CODE-Vを用いてCOBAND実験光学系をシミュレーション。
• STJ検出器手前での集光効率を求めた。
回折格子

カセグレン式望遠鏡◎焦点面の集光器
STJ検出器(40μm角)

焦点
後段光学系

400μmΦ

60μmΦ

ウィンストンコーン(入射角8.6°以内の光を射出)

焦点では、集光器によって400µm内の光を60µmに縮小。
ただし、入射角が8.6°以上の光は集光できない。
アルミ・ミラーの反射効率はほぼ100%と考えてよい。
集光効率＝ 回折格子の一次回折効率
× 焦点で、400μm径に入る光の割合
× 入射角8.6°以内でウィンストンコーンへ入る割合

24光学系集光効率• 光学系シミュレーションと回折格子シミュレーションから得られた
各種効率と、トータルの集光効率。
波長 (um)

焦点で400umφに入る割合 (％）

集光器の入射角< 8.6度の割合 (％)

回折効率 (％)

集光効率(%)

405060708081.2
72.8
66.4
66.8
64.7

59.4
59.1
57.9
55.9
53.4

76.8
85.3
75.6
62.7
51.1

37.0
36.7
29.1
23.4
17.7

40-70µmは効率が目標値20％以上を達成している。
この光学系で試作を行い、実験によって性能計測を行っていく。
25

ミラーの試作① 光学シミュレーション③ 各パーツの試作！

回折格子

M480㎜Φ

② CADによる構造設計

11.3㎜

M580㎜

• M4,M5と呼んでいる、回折光を焦点面に集光するミラーを試作。
• クリスタル光学という会社でミラーを作成。
• ミラーの精度はミクロン程度。価格は～８０万円くらい。

試作ミラーのテスト

前川群（2021年卒業）

試作したM4,M5を用いて、焦点面での結像の試験を行った。
レーザーを回転させて波長による回折角の違いを再現。

焦点面に方眼紙を置いて位置を測定

垂直方向の集光位置（mm）（コロナのせいで、遠赤外レーザーを使えなかったため。）

集光位置は、実測とシミュレーションで良く一致（ずれは0.4mm以下）！
今後、アライメントや測定の精度を上げていきたい。

その他、光学系で進んでいる項目
発表時間の関係で割愛したが、以下の項目においても研究開発が進んでいる。
1. 集光器（ウィンストンコーン）の設計・試作
2. STJ表面の反射防止膜の試作（Si薄膜）
3. 理想的な反射防止膜設計に向けたNbの複素屈折率測定
山根綾太（2021年卒業予定）
etc…

まとめ
• ＣＯＢＡＮＤ実験は宇宙背景ニュートリノの崩壊光を探索する実験。
• 遠赤外（λ=40-80µm）の光を分光するCOBAND実験用の遠赤外回折格子を独自開発した。
• 回折格子を組み込んだ光学系の設計・評価を行い、集光効率18-37%をシミュレーションで達成した。
• 現在、光学系の試作を行っているところ。

今後やっていくこと• 作成した回折格子＋集光ミラーを福井大学にもっていって、遠赤外レーザーを用いた性能試験。
• 集光器・反射防止膜の試作・試験。
• 光学系全体を作成し、性能評価、振動試験、冷却試験。

etc.