Development of fine-cavity-structure neutrino detector using 3D printer

Research Project

Project/Area Number	22K14058
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	木河達也京都大学, 理学研究科, 助教 (60823408)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	ニュートリノ検出器 / 3Dプリンタ / 水ベース液体シンチレータ / ニュートリノ反応 / ニュートリノ振動 / 3Dプリントシンチレータ
Outline of Research at the Start	ニュートリノにおけるCP対称性の破れは宇宙から反物質が消え去った謎を解く鍵となり得る。現在、T2K実験におけるニュートリノ振動の測定により、このCP対称性の破れの兆候が示唆されており、建設中のハイパーカミオカンデにより発見を目指している。ハイパーカミオカンデはCP対称性の破れの検証における統計精度を劇的に改善する一方で、水標的のニュートリノ反応の不定性に起因する大きな系統誤差が残ってしまうことが懸念されている。本研究では3Dプリント技術を応用した微細空洞構造のニュートリノ検出器を開発し、水標的のニュートリノ反応の精密測定による系統誤差削減、そしてニュートリノのCP対称性の破れの発見へ導く。
Outline of Annual Research Achievements	まず本研究でニュートリノ反応標的といて用いる水をベースとした液体シンチレータの開発を行った。さまざまな蛍光剤、波長返還材、界面活性剤を比率を変えながら混合したサンプルを作製し、宇宙線により光量を比較した。次に3Dプリンタにより作製する微細空洞構造をもつ反射材の開発を行った。厚さやプリントの設定を最適化し、それらに水ベース液体シンチレータを入れた際の光量やクロストーク率を比較した。最後に宇宙線を用いた試験で最も高い光量が得られた水ベース液体シンチレータと反射材を用いて小型試作機を作製し、東北大学電子光理学研究センターにおいて500MeV陽電子を用いたビームテストを行い、飛跡検出器としての性能を評価した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 液体シンチレータや3Dプリンタを用いた反射材の基礎開発だけでなく、当初の計画では次年度に予定していた小型試作機の作製とそれを用いたビームテストまで完了しているため。
Strategy for Future Research Activity	小型試作機を用いたビームテストでは飛跡を検出することに成功したが、光量は陽子/パイ中間子の粒子識別を行うためには不十分であり、飛跡検出効率もまだ十分とは言えない。そのためこれまで使っていなかった材質も含めて液体シンチレータと反射材の開発を再度行い、陽子/パイ中間子の粒子識別を行うために十分な光量を達成する。