キセノンを用いた二重ベータ崩壊実験のための新型液体シンチレータ検出器の開発

• Project Area: Unification and Development of the Neutrino Science Frontier
• Project/Area Number: 16H00859
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 清水 格 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (10400227)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2017: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2016: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 液体シンチレータ開発 / 素粒子実験

Outline of Annual Research Achievements

キセノン含有液体シンチレータを用いてニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊を探索するKamLAND-Zen実験では、検出器の極低放射線環境と拡張性において非常に優れた性能を発揮し、世界の実験を大きくリードしている。これまでの液体シンチレータ検出器は、光到達時間から再構成した位置情報のみを基にして発光点がどちらの層にあるかを区別してきたが、本研究ではこれに発光時定数の情報を加えた検出器を開発する。二重ベータ崩壊核が存在する内層に短時定数発光、外層に長時定数発光の液体シンチレータを導入し、発光時間波形の違いによって外層での発光の寄与の有無を判定する。これまでの研究で大型の検出器において使用実績のあるプソイドクメン（PC）とリニアアルキルベンゼン（LAB）をベースとした液体シンチレータを比較して、発光時定数に違いが現れることを確認している。シンチレーション光に対する吸収・再発光や散乱の効果を正確に評価するため、発光時間波形・波長情報と散乱角度を同時に測定する光学パラメータ測定装置を製作した。暗室内部で角度依存性を自動スキャンするため、遠隔制御のロータリーステージを用いている。LABベースの液体シンチレータを用いて、波長360 nmの吸収に対する再発光確率、及び長波長（> 400 nm）の散乱確率とその角度依存性を測定した。これらの結果を入力値とした光学シミュレーションを行うことで、正確な集光率及び発光時間波形の予測から発光点識別能を評価できるようになる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, Berkeley/Lawrence Berkeley National Laboratory/Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Amsterdam(オランダ)
• [Int'l Joint Research] University of California, Berkeley/Lawrence Berkeley National Laboratory/Massachusetts Institute of Technology(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Amsterdam(オランダ)
• [Journal Article] Search for Majorana Neutrinos Near the Inverted Mass Hierarchy Region with KamLAND-Zen (2016)
  • Author(s): 清水格
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 117 Issue: 8 Pages: 082503-082503
  • DOI: 10.1103/physrevlett.117.082503
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] New Liquid Scintillator Detector to Search for Neutrinoless Double Beta Decay of 136Xe (2018)
  • Author(s): 清水格
  • Organizer: Workshop for Unification and Development of the Neutrino Science Frontier (2017)
  • Invited
• [Presentation] 公募研究：メタルスカベンジャーによる液体シンチレータ検出器の極低放射能化 (2017)
  • Author(s): 清水格
  • Organizer: 「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」2017年領域研究会
  • Invited
• [Presentation] KamLAND2-Zenに向けた液体シンチレータの性能評価 (2017)
  • Author(s): 木下達也
  • Organizer: 「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」シンチレータ研究会SMART2017
• [Presentation] ニュートリノ実験のための低放射能化 (2017)
  • Author(s): 清水格
  • Organizer: 第９回アルファ放射体実験室利用研究会合同研究会
  • Invited
• [Presentation] Broad Overview of Neutrino Physics (2016)
  • Author(s): 清水格
  • Organizer: International Workshop：Neutrino Research and Thermal Evolution of the Earth
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2016-10-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Double Beta Decay (2016)
  • Author(s): 清水格
  • Organizer: PhyStat-ν Workshop
  • Place of Presentation: IPMU（千葉県・柏市）
  • Year and Date: 2016-05-30
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] カムランド
  • URL: http://www.awa.tohoku.ac.jp/kamland/