2019 Fiscal Year Annual Research Report
A new challenge of the KamLAND-Zen experiment aiming at discovery of the Majorana nature of neutrinos.
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17H01120
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
白井 淳平 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 学術研究員 (90171032)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / ２重ベータ崩壊 / カムランド禅 / 液体シンチレータ / キセノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ニュートリノのマヨラナ性の検証は、素粒子物理学および宇宙物理学の最重要課題の一つであり、現在唯一実現可能な検証手段であるニュートリノの放出を伴わない２重ベータ崩壊（0νββ崩壊）の探索が世界各地で進行中である。カムランド禅実験は2011年からキセノン同位体核（136Xe）を用いた高感度探索を行い、申請者が推進する基盤研究S（課題番号25220704）では世界最高感度を達成するとともに、更なる感度向上を目指し検出器外水槽の再建とキセノン倍増（750kg）による新たな探索フェーズ（Zen800）の準備を進めてきた。本研究では、検出器の中核をなすクリーンかつ体積が２倍の新型ミニバルーンを製作導入し、探索感度の飛躍的向上を行い、0νββ崩壊発見によるニュートリノのマヨラナ性検証に世界に先駆けて迫ることを目指す。以下に本年度の成果について述べる。
前年度データ採取を開始した実験は、検出器の安定な稼働により順調に進行中である。新型ミニバルーンのクリーン度の向上と体積倍増により有効体積が約３倍に向上した。これに加え解析手法を改善しバックグラウンド（BG）の除去に努めた。その結果７ヶ月間の蓄積データによる感度は0νββ崩壊の半減期で8.1×10^25年であり、前フェーズ（キセノン380kgを用いたZen400）の探索感度を大きく上回ることがわかった。観測されたエネルギースペクトルは既知のBGとコンシステントであり、0νββ崩壊の信号の兆候は見つからなかったが、半減期の下限値（90%C.L.以下同じ）として5.8×10^25年が得られ、Zen400フェーズと合わせると1.27×10^26年のリミットが得られた。これは有効マヨラナニュートリノ質量の上限値<(49～150)meVに相当し、50meV以下の逆階層領域についに到達した。これは世界初であり探索の大きな前進であると言える。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究で進行中のカムランド禅実験は検出器が安定に稼働し、ミニバルーンのクリーン化により実現した高品質データの蓄積が継続中である。採取したデータの解析によりバックグラウンド（BG）事象の理解をさらに進めている。また探索感度のさらなる向上に向けてデータ解析の改良や新たな工夫を進めている。以下に主な進捗状況を簡単にまとめる。
これまで主要なBGであったバルーン表面のホコリに起因するウラン、トリウム系列のBi, PoからのBGや不安定核110mAgの崩壊によるBGが大きく減り、宇宙線ミュー粒子による核反応で生成した10CからのBGが重要となっていた。これを除去するため10C生成反応に付随する中性子を検出し同時計測で落とす手法や、ミュー粒子に沿って生じるシャワーを検出して除去する解析手法の改良を継続して行っている。
前年度から宇宙線ミュー粒子によるキセノン核破砕反応で発生する多数の不安定核の崩壊がBGとして重要であることが判明した。これら不安定核の種類、発生頻度、検出器の応答について、詳細なシミュレーション（FLUKAなど）を用いて評価を進めている。またガンマ線とベータ線の識別を目指してニューラルネットワークの手法に基づくBG除去法の開発も行っている。
なお検出器の光センサー（1879本の光電子増倍管）で出力が低下するセンサーの数が徐々に増えており、アンプの導入による信号回復のほか、エネルギー再構成プログラムの改良によるエネルギー分解能の向上等を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下の２点を中心に研究を推進し、未踏の逆階層領域にさらに深く踏み込む探索を行う。得られた結果は学術会議等で発表する。
１）検出器の安定な運転による高品質データの着実な蓄積を続けること。
２）得られたデータの解析を行い、特にバックグラウンド（BG）の研究をさらに進めること。
具体的には１）検出器光センサーのゲイン低下に対する対策を引き続き行い、データの品質向上のための事象再構成プログラムの改良やガンマ線識別のための解析プログラムの改良等をさらに進める。２）宇宙線ミュー粒子による炭素核やキセノン核の破砕反応で生じる広範なBGに対して、シミュレーションコードのチューニングと実データとの比較による詳細な研究を行い、高信頼度の評価を行う。
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