Demonstration of reduction method for Tl-208 background event using Topology information of Cherenkov light

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 19H05093
• 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: Miyagi University of Education
• Principal Investigator: 福田 善之 宮城教育大学, 教育学部, 教授 (40272520)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2019: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: ニュートリノ / 二重ベータ崩壊 / チェレンコフ光 / 位相幾何学（トポロジー） / ２重ベータ崩壊 / 位相幾何学 / バックグラウンド / 放射性背景事象 / 位相幾何学情報

Outline of Research at the Start

従来、数MeVの電子は多重散乱するため、放射されたチェレンコフ光を受光する光電子増倍管（PMT）の位置が持つ位相幾何学情報は失われると考えられてきた。ところが、シミュレーションによると単独の電子や二重ベータ崩壊事象、Tl-208の崩壊事象でもチェレンコフ光の位相幾何学的な特徴が見られた。そこで、位相幾何学情報である平均角を用いてTl-208の崩壊背景事象の除去の可能性を明らかにするために、特定の場所で一定方向に発生させた1.02MeVの電子が放射するチェレンコフ光を観測し、受光したPMTから平均角を求め、平均角分布とシミュレーションの分布をχ2検定により95%の信頼度で一致することを検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、Zr-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を10の27乗年以上の半減期で観測するため、背景事象であるTl-208を95%除去するために使用するチェレンコフ光の位相幾何学情報である平均角を直接的に観測することを目的としている。まず、26本の光電子増倍管H3164-12を配置した半球状フラスコ型検出器HUNI-ZICOSを制作した。光電子増倍管を設置する治具は、切頂20面体（サッカーボール）の頂点の位置に光電子増倍管を挿入する穴を開け、内側に半球状フラスコをはめ込む形状のものを3Dプリンターで製作した。検出器内には、液体シンチレータの溶媒であるアニソールを充填し、Sr-90のベータ線や、Y-88からの1.836MeVのガンマ線を入射させ、100度後方にコンプトン散乱したガンマ線を検出することにより得られる1.484MeVの単一方向・単一エネルギーの電子から放射するチェレンコフ光を観測し、受光した光電子増倍管の位置から平均角を求めた。その結果、平均角は48度付近に観測された。シミュレーションを実施したところ平均角は40度付近を中心とした分布が得られた。一方、シンチレーション光によるシミュレーションでは、平均角は50度近辺に現れた。このことから、観測された事象はチェレンコフ光ではなく、300nm付近のシンチレーション光によるものと考えられた。そこで、半球フラスコの表面に400nm以下の波長の紫外線をカットするSC-37フィルターを貼り付け、チェレンコフ光だけを観測したところ、平均角は41度付近にピークが得られたことから、チェレンコフ光のシミュレーションは観測結果をほぼ再現していることがわかった。このことから、1MeV程度の電子が放出するチェレンコフ光でも位相幾何学的情報を有していることが明らかとなり、Tl-208背景事象を95％除去できると考えられる。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

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): 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: 54 Pages: 169-176
  • 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
• [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