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高感度0νββ探索のための高圧XeLSの開発研究

Publicly Offered Research

Project AreaUnraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
Project/Area Number 22H04567
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

尾崎 秀義  東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 特任助教 (10880007)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords二重ベータ崩壊 / 液体シンチレータ / ニュートリノレス二重ベータ崩壊 / キセノン
Outline of Research at the Start

ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊(0νββ) 探索実験であるKamLAND-Zenとその将来実験で使用するための高圧キセノン液体シンチレータ(XeLS)の開発研究を行う。これまで問題となっていたXe量増加に伴う発光量低下は、波長変換剤を加えることで解決を試みる。また、KamLAND-Zenでは、粒子識別を用いてXe原子核破砕由来のガンマ線背景事象を削減することが重要となる。高圧XeLSの発光時間や散乱が粒子識別性能に大きく影響するため、それらの測定を行う。実データをインプットとした検出器シミュレーションを行い、粒子識別性能を評価することで最適な高圧XeLSを決定する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索(0νββ)の感度向上を目的として、大型液体シンチレータ検出器における加圧下でのキセノン含有液体シンチレータ(高圧XeLS)の開発を行いました。加圧することでキセノンの溶解度が向上し、検出器のサイズを小さく保ったままキセノンの含有量を増やすことが可能になります。
この研究により、高圧環境下での液体シンチレータの発光量および発光時間特性の測定が可能となりました。XeLSおよび高圧XeLSの速い発光成分は、キセノン溶解前より約0.3 nsec短い3.7±0.1 nsecであることが初めて明らかになりました。また、速い成分と遅い成分の比も変化することが確認されました。
さらに、岐阜県神岡に建設されているカムランド大型液体シンチレータ検出器においては、従来のデカンとプソイドクメン、PPOの液体シンチレータにBis-MSBを加えることで透明度を向上し、集光量の改善が可能であることが示されました。0νββ崩壊探索におけるバックグラウンドとなる宇宙線ミューオンによってキセノン原子核が破砕されて生成される不安定な長寿命崩壊原子核(LL)の生成量は、加圧しても改善しないことがFLUKAシミュレーション解析により明らかになりました。
次に、原子核破砕時に生成される中性子を利用したLLの除去手法を、ニューラルネットワークのポイントネットを用いて開発しました。この手法によるLLの除去効率は加圧によって高まることが示されました。さらに機械学習を用いて、粒子識別を利用した除去手法の開発により、従来のカムランド検出器では約1割の信号を犠牲にして約7割のLLを除去できることが示されました。また、この方法は新たに開発された高圧XeLSに対しても効果的であることが確認されました。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022

All Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 5 results)

  • [Presentation] Xenon-loaded liquid scintillator for KamLAND-Zen2023

    • Author(s)
      尾﨑秀義
    • Organizer
      UGAP2024
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Machine learning status and prospects in KamLAND-Zen2023

    • Author(s)
      尾﨑秀義
    • Organizer
      2023 Fall Meeting of APS DNP and JPS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] KamLAND-Zen 8002023

    • Author(s)
      尾﨑 秀義
    • Organizer
      57th Rencontres de Moriond
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Neutrinoless double beta decay search results from KamLAND Zen with 1 ton-year 136Xe exposure2022

    • Author(s)
      尾﨑 秀義
    • Organizer
      International Workshop on Applications of Noble Gas Xenon to Science and Technology
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] KamLAND-Zen 8002022

    • Author(s)
      尾﨑 秀義
    • Organizer
      18th Rencontres du Vietnam
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] KamLAND-Zenの最新結果と展望2022

    • Author(s)
      尾﨑 秀義
    • Organizer
      第7回 宇宙素粒子若手の会 秋の研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] KamLAND-ZenにおけるNNの利用と開発現状2022

    • Author(s)
      尾﨑 秀義
    • Organizer
      第1回ML@HEPワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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