Reduction of Tl-208 decay backgrounds for neutrinoless double beta decay experiment using Zr-96

• Project/Area Number: 18K03664
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Miyagi University of Education
• Principal Investigator: Fukuda Yoshiyuki 宮城教育大学, 教育学部, 教授 (40272520)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: ニュートリノ / 二重ベータ崩壊 / チェレンコフ光 / パルス波形分別 / 位相幾何学情報 / バックグラウンド除去 / 位相幾何学 / タリウム208 / タリウム２０８ / ニュートリノ質量 / 液体シンチレータ / 波形分別法

Outline of Final Research Achievements

A liquid scintillator containing Zr complex has been developed for ZICOS experiment which will search for neutrinoless double beta decay using Zr-96 isotope. The liquid scintillator has 10wt.% concentration of the complex, and an energy resolution was obtained by 2.2% at 3.35MeV assuming 60% photo coverage of the photomultiplier (PMT). In order to realize ZICOS experiment, we have to reduce 95% of backgrounds from Tl-208 decay. We have developed new reduction technique using the topology of location for PMT which receives Cherenkov lights. For this purpose, we have to discriminate PMT signal whether includes Cherenkov light or not among the scintillation. Using fast PMT and digitizer, we have succeeded to develop the pulse shape discrimination, and have proved that the topology of Cherenkov light emitted from even 1 MeV electron is really useful to reduce backgrounds from Tl-208 beta decay.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊は、宇宙誕生時に何故物質だけが残ったのか、ニュートリノの質量はいくらか、等の疑問を解く鍵を握っています。世界中でこの崩壊を探しているますが、まだ誰も観測していません。日本のカムランド－禅はキセノン136を使って研究をしていますが、仮にこの崩壊を見つける事ができたとしても、原子核の計算に不定性があるため、他の原子核でも崩壊を見つけなければいけません。そこでジルコニウム96を使ったZICOSを計画しています。現在、観測の邪魔になるタリウム208を、チェレンコフ光を用いて除去する方法を開発しており、本研究によりチェレンコフ光が除去に利用できる事がわかりました。

Research Products

• [Journal Article] Development of pulse shape discrimination for Cherenkov lights in liquid scintillator (2021)
  • Author(s): Yoshiyuki FUKUDA, Shigetaka MORIYAMA, Katsuki HIRAIDE, Izumi OGAWA,Takahiro GUNJI, Ryohei HAYAMI, Satoru TSUKADA, Shunsuke KUROSAWA
  • Journal Title: BULLETIN OF MIYAGI UNIVERSITY OF EDUCATION Volume: 55 Pages: 141-150
  • Open Access
• [Journal Article] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2020)
  • Author(s): Yoshiyuki FUKUDA, Shigetaka MORIYAMA, Katsuki HIRAIDE, Izumi OGAWA,Takahiro GUNJI, Ryohei HAYAMI, Satoru TSUKADA, Shunsuke KUROSAWA
  • Journal Title: Proceedings of Science Volume: 437 Pages: 1-3
  • DOI: 10.22323/1.364.0437
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2020)
  • Author(s): Yoshiyuki FUKUDA, Shigetaka MORIYAMA, Katsuki HIRAIDE, Izumi OGAWA,Takahiro GUNJI, Ryohei HAYAMI, Satoru TSUKADA, Shunsuke KUROSAWA
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1468 Issue: 1 Pages: 12139-12139
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012139
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Precise pulse shape measurement of Cherenkov light using sub-MeV electrons from Sr-90/Y-90 beta source (2019)
  • Author(s): FUKUDA Yoshiyuki, ANZAI Daisuke, KAMEI Yuto, Narengerile, OBATA Akira, MORIYAMA SHigetaka, OGAWA Izumim, GUNJI Takahiro, HAYAMI Ryohei, TSUKADA Satoru, KUROSAWA Shunsuke
  • Journal Title: Bulletin of Miyagi University of Education Volume: 54 Pages: 169-176
  • Open Access
• [Journal Article] Direct measurement of spectral shape of Cherenkov light using cosmic muons (2019)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • Journal Title: Bulletin of Miyagi University of Education Volume: 53 Pages: 183-191
  • Open Access
• [Journal Article] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2018)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami
  • Journal Title: Zenodo Volume: 1 Pages: 1300437-1300437
  • DOI: 10.5281/zenodo.1300437
  • Open Access
• [Journal Article] Discrimination of Cherenkov light in Liquid Scintillator for Neutrinoless Double Beta Decay Experiment (2018)
  • Author(s): Y. Fukuda, Y.Kamei, Narengerile, A.Obata, S. Moriyama, I.Ogawa, T. Gunji, R. Hayami and S.Tsukada
  • Journal Title: Bulletin of Miyagi University of Education Volume: 52 Pages: 139-147
  • Open Access
• [Presentation] VERIFICATION OF TL-208 BACKGROUNDS REDUCTION FOR NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY WITH HALF-LIFE 10 TO 27TH YEARS USING ZR-96 (2021)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 研究会「ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊とその周辺」
  • Invited
• [Presentation] ジルコニウム96を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索XVII～HUNI-ZICOSを用いたチェレンコフ光の位相幾何学情報の測定～ (2021)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会
• [Presentation] 半減期１０の２７乗年以上の二重β崩壊観測を実現するＴＬー２０８背景事象除去の検証 (2021)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 「第七回極低放射能技術」研究会
  • Invited
• [Presentation] 半減期10の27乗年以上の二重β崩壊観測を実現するTl-208背景事象除去の検証 (2020)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」領域研究会
  • Invited
• [Presentation] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2020)
  • Author(s): Yoshiyuki FUKUDA
  • Organizer: The XXIX International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (NEUTRINO 2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索 XVI～シンチレーション検出器におけるチェレンコフ光選別のためのパルス波高分別法の開発～ (2020)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 日本物理学会 2020年秋季大会
• [Presentation] DEMONSTRATION OF REDUCTION METHOD FOR TL-208 BACKGROUNDS USING TOPOLOGICAL INFORMATION OF CHERENKOV LIGHT FOR ZICOS EXPERIMENT (2020)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 新学術領域「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会
  • Invited
• [Presentation] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2019)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • Organizer: The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ZICOS -ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象探索実験- (2019)
  • Author(s): 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • Organizer: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」領域研究会
  • Invited
• [Presentation] ZICOS EXPERIMENT FOR NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY SEARCH USING ZIRCONIUM-96 (2019)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • Organizer: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索XIV～ZICOS用液体シンチレータのエネルギー分解能測定～ (2019)
  • Author(s): 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索XIV高速PMTとFADCを用いた低エネルギー電子によるチェレンコフ光の波形観測～ (2019)
  • Author(s): 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2019)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • Organizer: International Symposium on Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2018)
  • Author(s): Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami
  • Organizer: XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Neutrino2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索XIII～低エネルギー電子によるチェレンコフ光の波形観測について～ (2018)
  • Author(s): 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Remarks] 第2回 新学術領域「地下宇宙」領域研究会
  • URL: https://www.lowbg.org/ugap/ws/am2020/index.html
• [Remarks] Neutrino2020 conference
  • URL: https://conferences.fnal.gov/nu2020/
• [Remarks] 新学術領域研究「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会
  • URL: https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/nucosmos/workshop.html
• [Remarks] 「ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊とその周辺」研究会
  • URL: http://www-hep.phys.s.u-tokyo.ac.jp/~hama/WS/mini0nbb2021/
• [Remarks] 「第七回極低放射能技術」研究会
  • URL: https://www.lowbg.org/ugap/ws/lb2021/program.html
• [Remarks] EPS-HEP2019で発表したポスター
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/poster-epshep2019-fukuda.pdf
• [Remarks] 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」領域研究会で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/ungd2019-fukuda.pdf
• [Remarks] TAUP2019で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/TAUP2019-fukuda.pdf
• [Remarks] 日本物理学会 2019年秋季大会 で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/jps2019-fall.pdf
• [Remarks] 日本物理学会 第74回年次大会で講演したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/jps2019-spring.pdf
• [Remarks] 地下素核国際研究会で発表したポスター
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/poster-zicos-UNGD2019.pdf
• [Remarks] Neutrino2018で発表したポスター
  • URL: https://zenodo.org/record/1300437#.XMZ_MkkVDZQ
• [Remarks] 日本物理学会 ２０１８年秋季大会で講演したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/jps2018-fall.pdf