182■研究紹介

二重ベータ崩壊と CANDLES 実験
大阪大学大学院 理学研究科

岸 本

忠 史

on behalf of CANDLES 実験グループ
2005 年 11 月 14 日

1.

はじめに

リノ場を Ψ L として質量項は mD Ψ R Ψ L と右巻きと左巻きの積で与えられる。スピン 1/2 の粒子がある方向に進行してニュートリノ振動現象の確認によってニュートリノは質いる場合を考える。進行方向に対するスピンの向きでカイ量を持つことがはっきりした。ニュートリノが質量を持つ

ラリティが決まる。粒子が質量を持つ場合、より速く走る

場合二つの可能性が考えられる。素粒子で物質を構成する座標系があり、そこから見ると進行方向は逆転する。しか粒子はクォークとレプトンであるが、ニュートリノを除く

しスピンは変わらないためにカイラリティは反転する。つ粒子はすべて電荷を持ち、ディラック方程式で記述される

まりディラック粒子の質量項はスピン 1/2 の粒子が特殊相

ディラック粒子である。ニュートリノだけはディラック粒

対論の座標変換でどう見えるかを表現している。

子だけでなく、マヨラナ粒子でもあり得る。マヨラナ粒子
はレプトン数を保存せず、ニュートリノの質量（マヨラナ
質量）はレプトン数の破れを示す量になる。粒子数保存則の破れは現在の宇宙が物質優勢であることを物理法則で説明するとき直接の鍵となる。ニュートリノのマヨラナ粒子性の検証は、現状では二重ベータ崩壊の研究でのみ可能と言えるだろう。このため二重ベータ崩壊の研究は最近とみにその重要性を増しており、世界中で研究が進められているだけでなく、大型次世代研究計画が目白押しである。
本稿では世界の二重ベータ崩壊研究の現状と阪大理学研

さてスピン 1/2 の粒子である限り、座標変換で左巻きの粒子が右巻きに反転する特殊相対論からの要請は変わりよ
うがない。しかしニュートリノがマヨラナ粒子の場合、右巻き成分は左巻きニュートリノの反粒子であることが決定的に異なる。つまり mL Ψ LC Ψ L と左巻きの粒子だけで質量項が構成できる。これをマヨラナ質量と呼ぶ。この場合、同様に右巻きの粒子だけでも mR Ψ RC Ψ R と質量項が作れるので、マヨラナ粒子の場合は左巻き粒子と右巻き粒子に別々の質量を与えることが可能になる。
われわれは現実には左巻きのニュートリノしか知らない。

究科のわれわれのグループで進めている CANDLES 実験を質量があるにも関わらず、右巻きがないことをどう考えれ紹介する。

ばよいのだろう。この事実はニュートリノがマヨラナ粒子であると考え、右巻きのニュートリノは極端に重いと考え2.

ニュートリノはマヨラナ粒子かると自然に受け入れることが出来る。右巻きと左巻きが異なる質量をもつということは理解し難い面があるが、左巻

ニュートリノは標準理論では質量がなく、粒子が左巻き

きの相互作用しかない弱い相互作用だけをするニュートリ

で反粒子が右巻きの粒子である。質量を持たないニュート

ノがディラック粒子と考えるならば、相互作用からまった

リノはワイル方程式で記述されるが、パリティ（P）と荷電

く見えなくなっている右巻きニュートリノが左巻きとまっ

共役（C）変換の対称性を破る。このため、ニュートリノ

たく同じ質量を持つことになり、かえって考えにくい。

の提唱者のパウリは信じなかったといわれているが、現実にはパリティの破れが発見され、弱い相互作用の世界が左巻きであることが示された。
さて振動実験でニュートリノが質量を持つことが今や確

さてニュートリノがマヨラナ粒子で、右巻きが非常に重いとして質量を M R とおく。ディラック質量 mD はニュート
リノも他のクォークやレプトンと同程度と考えることが自然とすると、左巻きのニュートリノの質量を、実になったと言える。ニュートリノはディラック粒子でもよいが、マヨラナ粒子と考えている研究者は多いと思われる。それにはいくつか説得力のある理由がある。まず質量項を見てみよう。ディラック粒子の場合、左巻きニュート

mL ~

mD2
MR

183
と表すことができ、他の荷電レプトンやクォークに比較し成できない。これを重い右巻きのマヨラナニュートリノがて極端に小さいことを自然に説明出来る。これがシーソー崩壊するとき、CP の破れで反レプトンを多く生成すること機構と呼ばれている理論で、柳田や Gell-Mann らによってで実現するのがレプトジェネシスのシナリオである。イン

提案された。右巻きニュートリノ質量は統一理論のエネル

スタントン効果は更に高いエネルギー領域（たとえば GUT

ギー領域にあると考えることで、振動実験が示唆するニュスケール）で生成されるバリオン数を B-L を保存しながらートリノの小さな質量が統一理論で説明されることになる。

消 し て し ま う の で 、 講 演 の 中 で “The proton decay is

粒子と反粒子を結ぶマヨラナ質量項は当然ながら粒子数

irrelevant to baryogenesis”というちょっと刺激的な発言がの保存則を破る。他の素粒子である荷電レプトンとクォーあった。

クの場合は電荷を持っているので、粒子と反粒子を結ぶ項

他にニュートリノの質量に関して実験の現状から理論的が電荷の保存則で禁止される。よってマヨラナ質量を持つにどういったパターンが考えられるかという話が南方氏か可能性はニュートリノだけに許される。ここにニュートリ

らあり、また宇宙論の立場から川崎氏の講演があった。他

ノのマヨラナ粒子性を検証できる二重ベータ崩壊研究の重にも多くの講演があったが、本稿ではこれ以上の紹介はし要性が高まる必然性がある。

ないので、興味を持たれた方はぜひ前述のホームページをご覧いただきたい。

3.

二重ベータ崩壊の研究と日米セミナー

本年 9 月 16 日−20 日の日程で学振の支援を受けてハワイ

4.

0ν 二重ベータ崩壊とニュートリノ質量で日米セミナーを開催した。会議のタイトルは「二重ベー

さてニュートリノはマヨラナ粒子と考えるしかないとい

タ崩壊とニュートリノ質量」で、最近の進展を日米の関連う状況があるが、それを検証しなければならない。その方分野の研究者で議論した。シーソー機構の創造者の一人で法としては現在の所 0ν 二重ベータ崩壊の研究だけと言っある柳田氏の基調講演の他、ニュートリノの質量に関するてもよい。0ν 二重ベータ崩壊は原子核の中で二つの中性子理論と実験の研究の現状、それに二重ベータ崩壊に関連すが二つの陽子と電子に転換する過程で（二つの陽子が二つる日米の有力な実験計画がレビューされた。会議の詳細やの中性子に変わる過程もあるが、ここでは議論しない）、プログラムなどは、

http://usj.phys.sci.osaka-u.ac.jp/index.html
をご参照いただきたい。

nn → ppe −e −(1)と表され、ダイアグラムで表すと図 1 の様になる。ここで電子の生成に伴って放出された反ニュートリノがマヨラナ

会議が終わった後、多くの参加者から非常に面白い会議

質量のためにニュートリノに転換し、吸収されて電子を放であったとの感想が述べられた。実験屋は比較的原子核関

出するが、ニュートリノは出ない。この結果レプトン（電係者が多かったが、理論は素粒子論屋中心という組み合わ子）数が 2 増えている。ニュートリノを二個放出する過程

せが新しい雰囲気での議論を醸成したのかも知れない。

は 2ν 二重ベータ崩壊と呼ばれていて標準理論の枠内で起こるが、二次の摂動であるためその崩壊率は小さい。 2ν 二

多くの重要な講演が行われたが、レプトン数非保存の重重ベータ崩壊ではニュートリノにもエネルギーが配分され要な帰結である宇宙の物質生成のシナリオを柳田氏の講演るので最大が Q 値の連続スペクトルになる。 0ν 二重ベーに沿う形で紹介しておく。まず現在の宇宙が物質だけの世

タ崩壊は Q 値にピークを作るが、 2ν 二重ベータ崩壊より界であって、かつ物質と反物質の量の差が十桁も小さい量に最初から決まっていたとは考え難く、宇宙の物質量を決

更に五、六桁少ないので、検出器を工夫しないと観測が困難である。

める物理法則があると考えられる。物質優勢の宇宙があって、われわれが存在している事実が、ニュートリノがマヨnラナ粒子で、レプトン数が破れていることの証明になっているといえる（レプトジェネシス）。この議論で重要な点は、
弱い相互作用がインスタントン効果でバリオンを反レプト

76 Geンに変化させること（ qqq ↔ l ）が可能で、その結果バリオン数（B）とレプトン数(L)は独立に保存せずに B-L が保存

n

p

W
ν-

e-

ν

eW

76 Se

p

する。この遷移確率は現在の宇宙では無視できるほど小さ
いが、温度が数 100GeV の宇宙初期では高く、B と L は独立に保存せず、B-L が保存する形で入れ替わる。つまりどこかで B-L に変化を生じさせておかないとバリオン数を生

図10ν 二重ベータ崩壊のダイアグラム
76

典型的な原子核として Ge を取り上げた。

184
この 0ν 二重ベータ崩壊の崩壊率はニュートリノの質量のークや荷電レプトンと同様な正常階層になっていて、電子

自乗に比例し以下のように表される。

ニュートリノの質量が観測にかからない程小さくなってい0ν 2| T1/0ν2 (0+ → 0+ ) |−1 = G 0ν | M NM
| 〈m ββ 〉2(2)

G は位相空間の体積で、M は核行列要素、 m ββ はニュートリノの有効質量で、二重ベータ崩壊で観測できる質量である。有効質量は主に電子ニュートリノの質量になるが、ると思われるかも知れないが、ニュートリノにはクォークや荷電レプトンにはないほとんど最大に近い大きな混合があり、同様な階層性になっているとは考えにくい。縮退領域で発見がある可能性も十分あり得る。どちらにしても実験だけが答えを与えること出来る。

種の間に混合があるので、〈m ββ 〉 =| ∑ | U ei |2 mνi e iαi |

(3)

5.

i

研究の発展と現状

二重ベータ崩壊の観測は最初ベータ崩壊でパリティの破と表される。ここで U は種の間の混合行列である。ニューれを発見したウーらによって 48 Ca に対して行なわれた。そトリノの場合、 α で表されるマヨラナ位相も入ってくる。

こでは濃縮された約 10 g の 48 Ca が用いられた。 0ν 二重ベ

二重ベータ崩壊で観測できる有効質量はニュートリノの質

ータ崩壊は観測されなかったのでマヨラナ粒子の可能性は量のパターンに依っている。

否定されたと考えられた。
一方、地質学的な方法も使われた。二重ベータ崩壊核のニュートリノ振動実験より質量差に制限が加わっているが、ニュートリノ質量自体は分からないので一番軽いニュ

130

Te は 130 Xe に崩壊する。鉱石中の 130 Xe を調べると大気中

ートリノの質量をパラメーターとして二重ベータ崩壊で観の Xe の同位体比から大きくずれていることがある。これは測できる有効質量をプロットしたものを図 2 に示す[文献 1]。

130

Te が長時間をかけて 130 Xe になり、鉱石中に閉じ込められたためと考えられる。生成年代の分かっている鉱石中の130

Xe を質量分析器で調べ、寿命を求める研究が緒方（阪大）

らによって行なわれた。この方法で寿命が求められたが、2ν と 0ν を分けることは出来ないので、 0ν 二重ベータ崩壊に興味の中心がある最近の研究では電子のエネルギースペ
クトルを観測する方法が主流である。
測定には二重ベータ崩壊核の線源と電子を検出する検出器を必要とする。検出器が線源を兼ねるタイプと検出器と線源が独立なタイプがある。前者のタイプの実験として
76

Ge の研究がある。自然存在比約 8 % の 76 Ge を 86% にまで濃縮した Ge で半導体検出器を作って、その中で崩壊の結果生成された電子の全エネルギーを観測するものである。

2005 年の段階で約 11kg の 76 Ge を用いたハイデルベルグ・
図 2 ニュートリノ振動実験から予想されるニュートリノ
の質量パターンモスクワ（HDM）実験が世界最高の感度を達成しており、
ニュートリノ質量にして 0.3 eV より小さいとの上限値が得

横軸にもっとも軽い質量のニュートリノを取り、縦軸は二重ベられている。一方で同じデータを解析することで 0ν 二重ベータ崩壊で観測できるニュートリノ有効質量である。 0.4 eV よりータ崩壊を観測し、ニュートリノが 0.4 eV 程度の質量を持

高い領域は排除されていると考えることが出来る。

つことを示したとの報告もあり、混沌としている。また
76

ここでニュートリノ質量のパターンで三種類に分類される。
まず三種類のニュートリノ質量がその差より大きく、ほとGe で同程度の感度を達成している IGEX 実験は上限値のみを与えている。

んど同じ質量を持つ縮退（degenerate）領域で、大体 0.1eV程度以上の質量を指す。逆階層（inverted hierarchy）領域
は電子ニュートリノが一番重くなるケースで、有効質量にし て 0.03 eV ∼ 0.1eV の 領 域 で あ る 。 正 常 階 層 （ normal

hierarchy）領域は他のクォークや荷電レプトンと同じく電子ニュートリノが一 番軽 く なるケ ース で 、有効 質量が0.01eV より小さい領域になる。なお、ニュートリノもクォ

6.

世界の次世代研究計画

二重ベータ崩壊の崩壊率は式（2）で表される様に、ニュートリノのマヨラナ質量の自乗に比例する。よって質量の感度を一桁上げようとすると寿命の感度を二桁上げなければならない。つまり最低物質量を二桁増やす必要がある。

185
次世代研究が大型化して行く理由がここにある。研究の重日本では 48 Ca を研究する CANDLES 計画や 150 Nd の要性から世界中で HDM 実験を超える実験が進行中ないし、DCBA 計画、136 Xe の XMASS 計画、また国際協力で 100 Mo

計画中である。実験の鍵は次の三点にまとめられる。（1）の MOON 計画などが進行中である。世界中で将来の大型大量の二重ベータ崩壊核を用意し、（2）Q 値領域の放射線実験に向けて技術開発にしのぎを削っている。

のバックグラウンドを減少させ、（3）エネルギー分解能を向上させて 2ν 二重ベータ崩壊からの寄与をなくす。

7.

大阪大学での CANDLES 実験

ニュートリノの質量として 0.1eV 程度まで探れれば三種のニュートリノがほぼ同じ質量を持つ縮退した可能性を検大阪大学では次世代の二重ベータ崩壊の研究に向けて証できる。また 0.03 eV 程度まで研究できれば、逆階層領域

CANDLES 計画を推進している。CANDLES 計画では CaF2まで検証できる。世界の大型将来計画はこの辺りを目標に結晶を検出器としてその中に含まれる 48 Ca の 0ν 二重ベー

おいている。 0.001eV 程度まで探れれば順階層領域を含めタ崩壊を観測することを目標にしている。 48 Ca は二重ベーて探索が可能と考えられるが、そこまでの実験計画はまだ

タ崩壊の Q 値が 4.28 MeV で、すべての原子核中で最大で提案されていない。現在世界で進行中ないし計画中の実験ある。自然放射性のガンマ線の最大エネルギーは 2.6 MeVを図 3 にまとめておく。

でベータ線は最大 3.27 MeV なので、原理的にバックグラウ
ンド（以下 BG）のない測定が可能である。 76 Ge の Q 値（ 2.04 MeV ）では分解能を上げても限界がある。次いで Q

0.01

値の高い 150 Nd （ 3.37 MeV ）に比較しても 48 Ca の Q 値のCANDLES

高さは際立っている。しかし自然存在比が 0.187 % と小さい

V

上、効率的な同位体濃縮法が開発されていないために、大0.1量の標的核を集めることが出来ず、初期の研究を除き、今IVまで余り使用されてこなかった。
われわれは CANDLES 計画に先立ち、 CaF2 (Eu) 結晶1（ 6.7 kg ）を用いた ELEGANT VI で 48 Ca の二重ベータ崩壊の研究を進め、世界最高感度の測定を行った[文献 2]。図 4に実験で得られたスペクトルを示す。

101

Ca

48

図3

76

Ge

100

Mo

116

Cd

130

Te

136

Xe

150

Nd

世界の研究とニュートリノ質量

棒グラフは出版された実験結果、実線矢印は現在稼動中の実験、
点線矢印は計画されている実験。

現在進行中の実験で HDM 実験に迫り、超える可能性のあるのは、 100 Mo を研究するフランスを中心とする NEMO

III 実 験 と 、 128 Te を 研 究 す る イ タ リ ア を 中 心 と す る
CUORECINO 実験である。NEMO III 実験は線源と検出が異なるタイプでドリフトチェンバーで磁場中の電子の飛跡を追う装置である。CUORECINO 実験はボロメーターで、微小な温度変化でエネルギーを測定する。HDM を大きく超える実験として計画 中の も のには 、欧 州 を中心とする

GERDA 計画と米国を中心とする MAJORANA 計画がある。
どちらも濃縮した 76 Ge をトンのオーダー用意し、放射線検出器として最高のエネルギー分解能を持つ Ge 検出器を製

図 4 ELEGANTS VI で測定された 6.66 kg の CaF2 (Eu)
結晶を 0.64 年観測した時のスペクトル

作するものである。MAJORANA も GERDA もどちらかというと既存の技術でスケールアップを図る計画である。一方で、EXO 計画の様に

136

Xe の崩壊で作られる

136

Ba 原子を一個一個同定する野心的だが困難な技術開発に挑戦している実験計画もある。

48

Ca の二重ベータ崩壊の寿命の下限値として 1.4 × 1022 年が得られた。これをニュートリノの質量に変換すると核行列要素の不定性を入れて 7.2 ∼ 44.7 eV より小さい値になる。Q 値領域の BGの素性は分かっており、また CANDLES では更に減少させること
が出来る。

186
CaF2 (Eu) 結晶は発光量の大きなシンチレータで、高分解能以上の基本的な特性を今までの研究で確認し、 0.1eV までが得られる。またライトガイドを発光量の少ない CaF2

探索できる検出器が実現できることを明らかにした。

（pure）にすることで PMT 側も active shield を達成する特徴的なデザインで 48 Ca に関しては一番よい結果が得られたが、ニュートリノ質量の点からは HDM などと比較してまだまだである。しかし BG のない測定が達成できているという大きな特徴がある。

CANDELS 検出器では以下に述べる様に Q 値領域でのBG の素性が明らかなので、その数を評価できる。このことは信号が見つかったとき、発見したという論拠を数で示すことができる有利さに繋がる。HDM 実験の結果が BG の評価で議論が分かれているが、その素性を理解していない

将来の大型検出器としては BG がないことは特に重要で限り答えがない。しかし CANDLES 計画ではその様な不定ある。6 章で質量の感度を一桁上げようとすると物質量を性がない。以下 BG の低減とエネルギー分解能について個二桁増やす必要があると書いたが、これは BG がないとき別に議論する。

に正しく、BG にリミットされる様になると四桁増やす必要があり、実質的に限界が見えてくる。BG に強い原子核

CaF2 cr ystal +w.l. shifterが有利な理由がここにあり、 48 Ca は最善の原子核と言える。

Buffer oil

ニュートリノ質量に対する感度で他の研究と並ぶには、
まず量を増大させる必要があった。しかし ELEGANT VIのデザインでスケールアップするには CaF2 (Eu) 結晶のシ
ンチレーション光に 対す る 減衰長 が自 己 吸収のため、10 cm 程度と短いという問題があった。このため、CaF2 (Eu)結晶を用いる限り二次元的にしか拡張できず、デザインに大きな制約となった。
われわれはこの問題を大量の CaF2 結晶（ここでは Eu を

liquid scintillator

ドープしない pure の結晶）をシンチレータとして用い、液体シンチレータ中に沈める CANDLES 検出器のデザインで一挙に解決した[文献 3]。ここで用いる CaF2 結晶は最高級の光学レンズとして使われていることから分かるように、

13" PMT

光の透過率が優れており、大きな結晶を作っても集光にまったく問題がない。CaF2 結晶のシンチレーション光の発光

図 5 CANDLES IV 検出器の概念図

中心は UV 領域になっていることもあって、シンチレータとして使えることはあまり認識されていなかった。発光量も CaF2 (Eu) に比較して小さいが、以下で示すようにそれら多数の光電子増倍管が 15 cm 立方の 600 個の CaF2 結晶からのシンチレーション光を検出する。

の問題点を解決し、大型の検出器を作ることことが可能になった。図 5 に CANDLES 検出器の概念図を示す。

7.1

BG の低減大型化は可能になったが検出器として動作させるには、48

サイズに応じたエネルギー分解能の向上と BG の低減を達成しなければならない。CANDLES 計画では、(1) 結晶のサイズを最適化して、二重ベータ崩壊からの電子は結晶中に留まる一方、BG は周りの液体シンチレータを光らせるようにして検出効率を維持しながらS/N を向上させ、(2) 液体シンチレータが光った場合は信号の時定数の違いを利用して信号と BG を弁別することで BG を低減し、Ca は原理的に BG のもっとも少ない原子核である。その上で、液体シンチレータ中に複数個の分割された CaF2 結
晶を配置するデザインで液体シンチレータを光らせる BG（主に外部からの放射線と内部からの γ 線）を除去する。液体シンチレータの時定数は ∼ 10 nsec であり、一方で CaF2の結晶からのシンチレーション光の時定数は ∼ 1 μ sec なので、その違いを利用して弁別できる。図 6 に明確に弁別できることが示されている。
48

Ca の二重ベータ崩壊の Q 値付近に残る BG は、結晶中の(3) 光の透過率の高い CaF2 結晶に波長変換剤を組み合わ

放射性不純物（U, Th 系列）から短時間（ ∼ 1 μ 秒）に連続せることにより、高集光効率と高エネルギー分解能（Q

崩壊する β 線と α 線が同時計測されて、和のエネルギーが値の辺りで測定に必要な σ ∼ 1.5% ）を実現した。

観測される場合にほぼ限られる（図 7 に典型的な例を示す）。
それ以外に 4.27 MeV に届く自然放射線はない（ α 線には減

187
光係数が掛かって電子等価エネルギーが 1/4 程度になる）。
しかしこれらの BG はパルス波形の測定で三桁半程度下げられることを確認した。
パルス波形の測定で BG を下げたが、われわれが目指す

7.2 エネルギー分解能
光の透過率の高い純粋な CaF2 結晶と液体シンチレータ
を組み合わせることにより、シンチレーション光の減衰をBG レベルは更に低いもので、最後には結晶に含まれる BG

伴わずに大型化を可能にした。しかし CaF2 結晶はシンチの低減がどこまで達成できるかが問題になる。製造業者とレーション光の発光波長中心が UV 領域で CaF2 (Eu) 結晶

協力しながら結晶の製作過程を見直して、U, Th などの放に比較して発光量が 1/3 程度なのでエネルギー分解能に限

射性不純物濃度を、20 ∼ 30 μBq/kg に低減した結晶の安定界があった。これを結晶の周りの液体シンチレータの波長製造を可能にした。この BG レベルは ELEGANT VI で使変換剤を最適化して CaF2 結晶の発光量を増大させて解決用したものよりほぼ一桁の向上が計られている。現在製作した。なお液体シンチレータの発光量を高く保つためには中の CANDLES III では既に十分なレベルに達している。

プソイドクメンを 20% 程度入れる必要があるが、これはCaF2 結晶から UV 光を吸収してしまうので、結晶の周り5 mm だけにプソイドクメンのない波長変換層を作り、べトー効率を維持しながら集光効率を上げることを可能にした。以上の工夫と結晶と大型光電子増倍管の最適な配置
で、測定に必要なエネルギー分解能が得られることを確認
液体シンチレータ

した。図 8 に 137 Cs の 662 keV の γ 線に対する分解能を示した。こういった研究に携わっている方には印象的な分解能であると思う。

CaF2 シンチレータ

図 6 CaF2 と液体シンチレータからの信号の弁別
横軸は全電荷で、縦軸は信号の速い成分と全体の電荷の比。
信号は明確に分離している。

図 8

波長変換剤で発光量を増大させた CaF2 結晶で γ 線を測定したときの分解能

半値全幅で 9.14 % は、Q 値の領域で原理的に FWHM で 3 % の分解能を達成できる分解能で、2ν 二重ベータ崩壊の影響を受けることなく 100 トンの検出器まで建設できる値である。

8.

一連の CANDLES 検出器

CANDLES 検出器は I から III まで建設している。I は
10 cm 立方の液体シンチレータに 5 cm 立方の CaF2 結晶を沈め、4 本の 5”PMT で観測するもので、図 6 に示した BG
図7β 線と α 線が重なりエネルギー的に Q 値の領域に届
く BG の例
パルス波形の測定でこの BG を落とすことが出来る。

弁別の原理を実証した。II では 50 cm 立方の液体シンチレータを 4 本の 15”PMT で観測するもので、中に複数の CaF2結晶を入れて集光効率や位置分解能を検証した。以上の結果を基に、CANDLES III（ CaF2 結晶： 200 kg 、13”PMT：188
40 本、地上）を大阪大学理学部に建設し、実証実験を行っている。図 9 に CANDLES III を示す。
現在 CANDLES III を CaF2 結晶を 300 kg 、PMT を 80本に増強して地下に建設するための作業を進めている。来年度には建設が完了し、実際の測定に入る予定である。1
年程度の測定で 1eV 以下で、4 年で HDM の 0.5 eV に到達する予定である。この CANDLES III（地下）で HDM 実
験に十分追いつくことが出来ることを実証する。
しかし HDM を追い越す感度を持つ検出器を建設しなけ
れば世界で勝負することは出来ない。そこで CaF2 結晶で 6トンの CANDLES IV 検出器の予算を要求中である。これ
で 0.1eV 程度の感度を達成し、HDM を十分超えて縮退領域での質量の存否を確認する。世界中で多くの大型実験計
画が進行している中で後発との印象をもたれるかも知れないが、予想される BG レベルを単なる見込みでなく実験値をベースにしているのはわれわれだけと言ってよく、現状では世界で最も高い感度の測定を経済的に実現できる計画と考えている。
ここで必要な BG レベルに達するには、結晶に含まれる

U と Th 系列の放射性同位元素を CANDLES III のレベルより一桁下げる必要がある。われわれの研究で一番問題になる BG は Th 系列だが、現在 CANDLES III には十分な
約 30 μBq/kg のレベルまで下げた結晶は製作されている。
しかしこれを更に一桁下げて 3 μBq/kg 以下にする必要がある。そんなことが出来るのかと思われるかも知れないが、R&D の段階で 6 μBq/kg の結晶の製作に成功しており、実現可能と考えている。ただし、大型検出器を作るときには、

図 9 現在阪大理学部に設置されている CANDLES III（地コストに注意を払う必要がある。一応よい感触は得ている

上）検出器の構造図（上）と PMT を設置したところが、製作方法が確立した段階でプロセスを見直す予定であの写真（下）る。なお 3 μBq/kg （ 0.3 ppt ）とは検出効率 100% のわれ

水中にアクリルの 1 kA の液体シンチレータ容器を設置し、そのわれの測定方法をもってしても 10 cm 立方（ 3.2 kg ）の結中に二層構造の CaF2 結晶が設置される。40 本の 13”光電子増倍管晶で、20 個の崩壊を観測するのに 1 ヶ月かかるレベルであが 60 個の 10 cm 立方の CaF2 結晶からのシンチレーション光を検り、結晶の BG 調査だけでも大仕事である。これが一方で出する。CANDLES III（地下）では水の部分も液体シンチレータ

は IV を建設するためにも III（地下）が必要である理由である。われわれの計画では III（地下）で IV 用に開発・製作した結晶で二重ベータ崩壊の観測を行いながら IV に使える結晶であるかを調べていく。さもなければ IV に使える結晶を選定するのに無限の時間がかかってしまう。こう
いった研究を段階的に進める必要がここにある。世界の大型次世代計画が一挙に現在のレベルを超えて行くとの考
えには、いくつかの幻想が含まれている。
更に将来、CANDLES V では 100 トンサイズの検出器の建設を考えている。この辺りがエネルギー分解能やその他の BG の関係で CANDLES 検出器を延長したときの限界の大きさと言える。世界の大型次世代計画と同程度の 30 meVの質量領域の探索を目標にしている。V を建設する頃は、になる。

たとえば SNO や Kamland といった検出器が当初の役割を終えている可能性もあり、CANDLES の結晶を入れることになれば測定部分に対する投資を少なく抑えて検出器を建設する可能性も生まれる。そうなれば予算の点からも世界の大型計画に比較して圧倒的に有利な立場に立てる。
自然存在比 0.187 % に打ち勝って 48 Ca で高感度の測定が出来る様に CANDLES 計画は設計されている。しかも、もし同位体濃縮が可能になれば他の追従をまったく許さない検出器が完成する。現在 48 Ca の濃縮は可能ではあるが、微量かつ高価で、大型化している二重ベータ崩壊研究に対応できない。有効な製造方法がなかったのは原理的な問題

189
ではなく、ニーズがなかったためかも知れない。安価な濃縮法がないのは Ca にガスの化合物がないためだが、他にもいくつか方法が考えられる。われわれも研究を進めている。研究会を開いたところ、実際多くの方々が興味深くか
つ新しい方法を研究していることが分かり、思った以上に将来性があるのではと考えている。

文献
1. Neutrinoless Double Beta Decay and Direct Searches for
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