Verification of Tl-208 background reduction for neutrinoless double beta decay observation with half life >10^27 years

• Project Area: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
• Project/Area Number: 20H05241
• 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): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2020: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• 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） / 半減期 / バックグラウンド / 位相幾何学 / 背景事象

Outline of Research at the Start

従来、数MeVの電子は多重散乱するため、放射されるチェレンコフ光を受光する光電子増倍管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二重ベータ崩壊事象やTl-208のベータ崩壊事象ではチェレンコフ光の位相幾何学的な特徴から差異が見られた。そこで、チェレンコフ光を用いてTl-208崩壊背景事象を除去するため、Co-60から放射されるベータ線とガンマ線による散乱電子が放射するチェレンコフ光と、単独の電子が放射するチェレンコフ光のそれぞれの平均角分布をそれぞれ計測し、シミュレーションと比較することによりTl-208崩壊事象を95％除去できることを検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、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の観測を実現するため、チェレンコフ光の位相幾何学情報である平均角を用いてTl-208のベータ・ガンマ事象の除去を実証する計画である。まず、半径2.65cmの特性丸底フラスコにZICOS実験用液体シンチレータを注入し、周囲に3/8インチ光電子増倍管(PMT)を50本配置したUNI-ZICOS検出器を製作した。この検出器にY-88からの1.836MeVのガンマ線を照射し、後方100度に散乱したガンマ線を検出することで検出器中央に1.484MeVの単色一定方向の電子を発生させ平均角を測定した結果、44度にピークが見られ、シミュレーションと一致することがわかった。ここで、PMTの光量を用いて事象の発生点を再構成する必要があるが、シミュレーションでは2mmの標準偏差で求められ、観測データも検出器中央に発生点が観測されている。次に、検出器の底部に設置した1/2インチPMTの信号を用いて、検出器外部上面からCo-60等の複数種の放射線源によるガンマ線を照射し、コンプトン散乱電子事象の平均角を測定した。その結果、全ての線源において平均角が45度にピークを有していた。更に、Co-60ベータ線源を検出器の首部分に挿入し、0.3mmのAl板を通過させることにより最大エネルギー1.48MeVの電子とガンマ線を入射させて、ベータ・ガンマ事象の平均角を測定している。シミュレーションでは、1.333MeVガンマ線のコンプトン端以上のエネルギーの事象が平均角60度にピークを持つことが予想されている。初期の解析結果では、事象数は少ないものの、平均角が50～70度に事象が集まっており、ベータ・ガンマ事象は電子とは異なる平均角を持つことが見込まれている。従って、当初計画通りの結果が得られることを期待している。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Direct measurement of topological information for Cherenkov lights using HUNI-ZICOS detector (2021)
  • 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: 2156 Issue: 1 Pages: 012116-012116
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2156/1/012116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct measurement of topological information for Cherenkov lights using HUNI-ZICOS detector (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: 56 Pages: 205-214
  • Open Access
• [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
• [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
• [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、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、黒澤俊介
  • Organizer: 新学術「地下宇宙」２０２１年領域研究会
  • Invited
• [Presentation] DIRECT MEASUREMENT OF TOPOLOGICAL INFORMATION USING HUNI-ZICOS FOR ZR-96 NEUTRINOLESS DOBLE BETA DECAY EXPERIMENT (2021)
  • Author(s): Yoshiyuki Fukuda、Shigetaka Moriyama、Katsuki Hiraide、Izumi Ogawa、Takahiro Gunji、Ryohei Hayami、Satoru Tsukada、Shunsuke Kurosawa
  • Organizer: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics(TAUP2021)
  • Int'l Joint Research / 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XVIII～チェレンコフ光の位相幾何学情報の測定とベータ・ガンマ背景事象の除去法の開発～ (2021)
  • Author(s): 福田善之、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、黒澤俊介
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [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
• [Remarks] TAUP2021のプロシーディングス
  • URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2156/1/012116
• [Remarks] 宮城教育大学紀要論文
  • URL: https://mue.repo.nii.ac.jp/?action=pages_view_main&active_action=repository_view_main_item_detail&item_id=1448&item_no=1&page_id=13&block_id=66
• [Remarks] 新学術領域 「地下宇宙」研究会２０２１で発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/verification-of-Tl-208-background-reduction-for-double-beta-decay-with-10to32-years-measuremnt.pdf
• [Remarks] TAUP2021で発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/TAUP2021-fukuda.pdf
• [Remarks] 日本物理学会 2021年秋季大会で発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/JPS2021-fall-web.pdf
• [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