2019 Fiscal Year Annual Research Report

The search for double beta decay with a dark matter detector

Research Project

Project/Area Number	19H01920
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	山下雅樹東京大学, 宇宙線研究所, 特任准教授 (10504574)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	二重ベータ崩壊 / ニュートリノ / 液体キセノン
Outline of Annual Research Achievements	ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊(0ν2β)探索実験はニュートリノ質量観測が期待され、素粒子・原子核物理だけなく宇宙物理の観点からも注目を浴びている。一方、地下実験における暗黒物質直接探索の技術進展は近年目覚ましいものがあり、検出器の大型化, 低バックグラウンド化を着実に実現してきた。暗黒物質探索と 0ν2β探索の大きな違いはそのエネルギー領域にある。暗黒物質直接痰濁では10keVであるが、136Xeのニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊のQ値は 2458 keVである。低バックグラウンド、高エネルギー分解能を生かし、大型暗黒物質探索検出器(XENONnT)を用いて 0ν2βの探索を行う。ハードウェアに関して、XENONnT 検出器はイタリア Gran Sasso地下実験施設にて2019年に建設終了、2020年より試運転の予定であったが、現在COVID-19の影響のため、イタリアグランサッソでの建設が現在で数ヶ月遅れが出ている。二相型キセノンTPCの建設が終了し真空引きを行ったが今後、キャリブレーション装置や中性子カウンターの建設が控えているが、現在グランサッソ研究所へ受け入れは日本だけでなく全面的に禁止されているが、再開の目処はまだ立っていない。一方、ソフトウェアに関しては進展が見られた。二重ベータ崩壊の探索ではエネルギー分解能を改善することはバックグラウウンドを下げたり、その理解を進める上で大変重要となる。事前評価として前進のXENON1Tの実機データを用いたエネルギー分解能の研究を進め,液体キセノンとして最も優れたエネルギー分解能を得ることができ現在論文に投稿している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本研究では、0ν2β 探索に暗黒物質直接探索検出器XENONnT検出器を利用する。XENONnT 検出器はイタリア Gran Sasso地下実験施設にて2019年に建設終了、2020年より試運転の予定であったが、現在covid-19の影響のため、イタリアグランサッソでの建設が現在で数ヶ月遅れが出ている。現在ではTPCのインストールが終了し、キャリブレーション装置や中性子カウンターの建設が控えている。そこで、本年度はXENONnTでのデータ解析への準備を視野に入れ、前進であるXENON1Tでのデータを用いたエネルギー分解能の改善に関する研究を進めた。結果としてQ値2.5MeVにおいて約0.8%（σ)という液体キセノンで最も良いエネルギー分解能を達せいすることができ現在論文を投稿している。同時にこれらの情報を用いてXENONnTでの詳細な感度の見積もりを行っている。
Strategy for Future Research Activity	イタリアグランサッソにて建設中のXENONnT 検出器は気体-液体2相型キセノン Time Projection Chamber (TPC) で、有感領域 6 ton の液体キセノン (136Xe はこのうち 520kg)を持つ。現在TPCの部分は真空引き、222Rnの測定まで進んでいるが、covid-19の影響からグランサッソ研究所以外の研究者の出入りが禁止されている。この状況がいつ改善されるかは現在の所不明である。今後再開されれば、中性子カウンターやキャリブレーションの建設が残っており数ヶ月で試運転が可能になる予定である。　検出器の要である液体キセノン純化システムの準備は完了しておりcovid-19の状況が改善した時点で速やかに開始ができるように綿密な計画をメンバー同士緊密に連絡を取りながら進めていく。また、このような状況であるので、前進であるXENON1Tでの解析、またそれをもとにした正確なXENONnT感度の見積もりを行い論文の執筆を進めている。またこれらの情報は本研究を進める上でもソフトウェアの開発の観点から非常に有用である。