2013 Fiscal Year Annual Research Report
高集光液体シンチレータ検出器による二重ベータ崩壊の研究
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23684012
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
清水 格 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (10400227)
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| Project Period (FY) |
2011-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 素粒子実験 / 実験核物理 |
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| Research Abstract |
KamLAND-Zen実験は、同位体濃縮したキセノンを液体シンチレータ中に溶かし込むことで、ニュートリノ放出を伴わない二重ベータ崩壊探索を行うことを目的としている。昨年度発表した結果では、ニュートリノの有効質量に対して160-330meVの上限値を得て既に世界最高感度を達成した。さらに純化作業によって主なバックグラウンド源となっていた液体シンチレータ中の放射性不純物を１０分の１以下に抑えることに成功した。その一方で、低エネルギーに分布するニュートリノ放出を伴う二重ベータ崩壊によるバックグラウンドが主要なバックグラウンドとなりつつあり、エネルギー分解能の向上が望まれる。本研究では、検出器を改良してエネルギー分解能を向上させることで、逆階層型質量（20 meV以上）の検証を目標とする。
検出器のエネルギー分解能改善を実現するため、高発光量液体シンチレータの開発と集光ミラーの開発を行った。液体シンチレータの開発は、リニアアルキルベンゼンを溶媒とした液体シンチレータの光学性能を高めるため蒸留法による不純物除去を行い、デスクトップ型の小型装置で透過率の向上を確認した。検出器サイズ（約6.5 m）での相対光量に換算すると、約1.6倍程度の増加であった。また、外部ガンマ線を遮蔽するための発光しないバッファーオイルの開発を行い、LAB+DMP（5 g/l）の溶媒が極低発光量・高透過率・同密度の要求を満たすことを確認した。集光ミラーの開発では、Winstone-Cone型高集光ミラーの試作品を１６個製作し、検出器サイズの距離から到来するシンチレーション光に対する集光率が1.7~1.9倍程度まで増加することを空気中において実測した。実際の検出器では0度～40度までの範囲の集光が必要であるが、光の入射角度による集光率の低下はほとんど無いことが確認できた。
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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
本研究の目的である逆階層型質量の検証のため、エネルギー分解能の改善を目標としていたが、集光ミラー試作と集光性能評価、液体シンチレータ、バッファーオイルの候補選定が完了した。順調に進展した理由として、現在の検出器で用いられている液体シンチレータ及びライトガイド等の性能評価方法・純化方法の経験を今回の開発に応用できたことが挙げられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、本年度に製作した試作品を実物と同じ間隔で配置し、隣接するミラー同士がぶつかり干渉した場合でも集光率の低下が問題とならないことを確認する。また、液体シンチレータの透過率を精密に測定する装置の開発を行い、検出器サイズでの絶対光量を評価する。さらに、液体シンチレータの再発光率も集光量を左右する重要なパラメータであり、より高輝度な光源としてレーザー励起光を用いた測定を行う予定である。測定で得られた集光率・発光量・透過長・再発光率のデータを基にして、シンチレーション光のフルシミュレーションを行い、検出器全体での集光量及び、二重ベータ崩壊探索によるニュートリノの有効質量に対する感度の評価を行う。
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