二重電子捕獲及び暗黒物質探索に向けたヨウ化ストロンチウム検出器の開発研究

• Project/Area Number: 22K03658
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: 丸藤 亜寿紗 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 特任助教(研究) (20704399)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 二重電子捕獲 / ヨウ化ストロンチウム結晶 / 暗黒物質 / ニュートリノの性質 / 無機シンチレータ / 暗黒物質探索

Outline of Research at the Start

本研究では、ヨウ化ストロンチウム結晶を用いた検出器開発を目指し、研究室の所在地である仙台と地下施設がある神岡双方で互いの特徴を生かしつつ、基本的性能の評価を行っていく。
研究期間前半は、主に結晶の基本的な性能理解のための測定として、発光量の温度依存性やエネルギー分解能の確認、結晶に含まれる放射性不純物の濃度測定、分析や純化方法の検討を行っていく。研究期間後半は、中性子線源を用いた測定のほか、より実機に近い環境を考慮し将来の検出器デザインを検討するため、液体シンチレータを用いた測定や、神岡で長期安定性(季節変動を見るため)の確認を行う。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ヨウ化ストロンチウム結晶を用いた検出器のための開発研究を行う。ストロンチウム中には二重電子捕獲を起こす原子核、Sr-84が自然存在比で0.56%含まれている。また、ヨウ化ストロンチウム結晶はヨウ化ナトリウム結晶の2倍以上の発光量を持つとされており、二重電子捕獲/暗黒物質探索実験の新しいアプローチとして期待できる。
初年度は、神岡地下実験施設にあるGe検出器を用いて結晶に含まれる放射性不純物量の測定を行った。使用している結晶は、直径3.81cm、高さ3.81cmの円柱型で、東北大学金属材料研究所で製作されたものである。結晶には強い潮解性があるため、アルミでできたハウジングを使用している。解析結果から、ウラン系列、トリウム系列の不純物量が予想していたより多かったため、今後、ハウジングの部材選定や、結晶に含まれる放射性不純物量見積のスタディを進める予定である。また、結晶原料の純化方法についても検討する。
ニュートリノを伴わない二重電子捕獲では、1.78MeV付近のガンマ線が放出される。Ge検出器で取得したデータを確認すると、この領域ではバックグラウンド量が少なく、先行実験より感度を得られそうであるため、より解析を進め、論文にまとめられないか検討している。また、Kr-84の励起状態への崩壊についても解析を進めている。
その他、基本的性能評価のため、光電子増倍管を用いて、発光量、エネルギー分解能評価を行うための実験セットアップおよびデータ取得システムの構築を行った。現在データ取得を行っており、今後、これらのデータを解析しまとめていく予定である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

基本性能評価のためのセットアップやデータ取得は順調に進んでおり、あとは解析を進めるのみである。
また、Ge検出器での測定から、不純物量が非常に多く、ハウジングの選定や原料の純化が必要なことが明らかになったが、一方で、ニュートリノを伴わない二重電子捕獲の一部の崩壊について、先行実験よりよい感度で制限をつけられそうである。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は、基本性能(発光量、エネルギー分解能等)の評価を進める。また、波形データの取得も行なっているので、粒子識別が可能かのスタディも進める。10年ほど前に行われた先行研究では、アルファ線とガンマ線であまり差がなく、識別は期待できないと結論づけられているが、機械学習等を用い、可能性がないかを探る。

不純物量の評価に関しては、使用しているハウジングがアルミで作られているため、他の素材が使えないかの検討を行う。代替が無理な場合、Ge検出器を用いてアルミに含まれる不純物量測定を行い、結晶自体の放射性不純物量を求める。そして、再結晶法や樹脂法を用いて結晶素材を純化し、新しい結晶を製作、測定する。純化方法は古くから暗黒物質探索で用いられているNaI結晶で確立されているものであり、有用な樹脂の選定がうまくいけば、低エネルギー領域での不純物量低減も期待できる。