2023 Fiscal Year Annual Research Report
実験・理論両面から迫るGd-160の二重ベータ崩壊
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23H01196
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
飯田 崇史 筑波大学, 数理物質系, 助教 (40722905)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鎌田 圭 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (60639649)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 二重ベータ崩壊 / 高純度無機シンチレータ / 極低放射能技術 / 地下素粒子実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、代表者の主導するPIKACHU（Pure Inorganic Scintillator experiment in KAmioka for CHallenging Underground sciences）実験を遂行し、160Gdの二重ベータ崩壊の研究を行うことである。初年度となる本年度は、160Gdを含む高純度なCe添加Gd3Ga3Al2O12結晶（GAGG）の開発を行った。これまでの研究から、既存のGAGG結晶に含まれるウラン、トリウム系列の放射性不純物量は、ウクライナで行われた先行研究のGSOに含まれるそれと比較して約一桁高いことが分かっている。
初年度で我々は、GAGG結晶の主要原料であるGd2O3, Ga2O3, Al2O3, CeO2に対し、ゲルマニウム半導体検出器を用いたガンマ線測定を行い、内部に含まれる放射性不純物量を計測した。その結果、主に不純物の原因となっていたのは、Gd2O3原料とAl2O3原料であることが判明した。Gd2O3に関しては業者に協力を依頼し、樹脂を用いた純化を行うことで二桁以上の不純物低減に成功した。さらに、Al2O3は3種類の原料を購入・比較し、最も純度の高い原料を選別することで、これまでより一桁以上の不純物低減に成功した。これら高純度原料を用いて結晶を作製し、その評価を行ったところ、ウラン・トリウム系列の不純物が既存の結晶に比べて一桁低い、高純度なGAGG結晶の開発に成功した。
また、高純度結晶開発と並行して、2024年度に開始予定のPIKACHU実験フェーズ1に向けたDAQの構築に取り組んだ。DAQ用PCとCAEN社製Flash-ADCを購入し、250MHzでの波形データ取得が可能なシステムを構築した。
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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
当初の計画通り、初年度で高純度GAGG結晶開発を推進した。結果として、既存のものよりも一桁高純度な結晶の開発に成功している。また、それを大型化した際に得られる二重ベータ崩壊探索感度を見積もり、半減期で4.4×10^22年が達成可能であることを示した。これは先行研究の半減期下限値よりも2倍以上良い感度である。これを受けて、2024年度に神岡地下実験室においてPIKACHU実験フェーズ1を開始することを決定した。以上の理由により、本研究は予定通り進んでいるということが出来る。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年度前半は、これまでに開発した高純度GAGG結晶を大型化し、重量3kg程度の結晶を作る。光電子増倍管と組み合わせ検出器モジュールを作製、性能を評価したのち、夏ごろを目処に神岡地下実験室内の鉛シールドに設置する。同時にDAQシステムも構築し、PIKACHU実験フェーズ1を開始する予定である。さらに並行して、フェーズ2に向けたさらに純度を高めた結晶の試作、そしてその目標であるニュートリノを放出する二重ベータ崩壊への探索感度の見積もりなどを進める予定である。
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[Journal Article] First Study of the PIKACHU Project: Development and Evaluation of High-Purity Gd3Ga3Al2O12:Ce Crystals for 160Gd Double Beta Decay Search2024
Author(s)
Takumi Omori, Takashi Iida, Azusa Gando, Keishi Hosokawa, Kei Kamada, Keita Mizukoshi, Yasuhiro Shoji, Masao Yoshino, Ken-Ichi Fushimi, Hisanori Suzuki, Kotaro Takahashi
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Journal Title
Progress of Theoretical and Experimental Physics
Volume: 2024
Pages: 033D01
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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