2014 Fiscal Year Annual Research Report
次世代ニュートリノレス二重ベータ崩壊探索実験のための熱量蛍光検出器の開発
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26287045
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
吉田 斉 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (60400230)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 二重ベータ崩壊 / ニュートリノ質量 / マヨラナニュートリノ / ボロメータ― / シンチレーション検出器 / フッ化カルシウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、二重ベータ崩壊核の中で最もQ値が大きい、48Ca同位体を含む不活性フッ化カルシウム(以下CaF2)シンチレーション検出器を、10 mK以下という極低温に冷却し、熱量検出器として利用することで、ニュートリノレス二重ベータ崩壊観測に大変重要な高エネルギー分解能検出器を開発する。また、熱量に加えてシンチレーション光（蛍光）を同時に検出し、両者の信号強度を比較することで事象の粒子弁別を行う方法を確立する。その結果としてバックグラウンドを徹底的に排除し、バックグラウンドフリー観測の実現可能性を立証して、ニュートリノ質量の絶対値測定に対して数meV以下の領域を探索できる手法を開発することを目的としている。
極低温下(10mK以下)にCaF2結晶を冷却し、温度上昇によるエネルギー測定原理の検証を行うため、熱量検出器の設計と製作を行った。検出器中心部となるCaF2結晶を、高純度結晶と放射性不純物を比較的多く含んだ結晶（以下、不純物結晶）2種類を製作した。結晶サイズは20mmφ×30mm (30g)の円筒形とした。高純度結晶は、ニュートリノレス二重ベータ崩壊観測のバックグラウンドを評価するために使用し、不純物結晶は、内部に含めれるα崩壊放射能を使用して、エネルギー分解能とα/β粒子識別能を評価するために使用する。検出器外部での蛍光検出分析によって、結晶内部の放射性不純物量は精度よくコントロールされていることが確かめられ、蛍光検出器としての性能（発光量、透明度）も要求を満たしていることが確かめられた。
検出器製作に不可欠な希釈冷凍機は、当初の予定通り研究の初期費用を抑えるため、新潟大学の希釈冷凍機を借用し、長時間(数週間以上)・安定運転を実現できる整備を行った。併せて、サーミスターとそこからの信号を増幅するための低温電子回路の入手および設計を行い測定準備が整った。
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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
研究を遂行するうえで、初期の研究環境整備に時間を要することを予想していたが、この点に関しては予定通りに進行し、大きな問題は生じていない。
検出器の開発は、検出器中心部となるCaF2結晶の設計・製作と性能評価が順調に終了した。微小な温度上昇による信号を読み出すためのサーミスターの入手と信号を処理するための低温電子回路の設計も順調に終了し、性能試験を始められる段階に進んだ。極低温環境を実現するための希釈冷凍機についても、当初の予定通り他大学での借用が円滑に実現でき運転整備が終わって準備が整っている。開発要素の重要部分が並行かつ順調に進捗している。
以上に加えて、検出器開発のスピードアップを図るため、自前の希釈冷凍機を入手することについて、調査を行っていたが、東京大学において熱量検出器開発に使用されてきた希釈冷凍機を譲り受けることができることになり、検出器開発のトライアル頻度が飛躍的に向上することが期待できるため、研究環境整備においては計画以上の進捗があったといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
製作した不純物CaF2結晶を使用してCaF2熱量検出器のエネルギー分解能の評価に取り組む。サーミスター信号の波形データを収集記録し、オフラインでノイズ成分を詳細に解析することにより、信号読み出し用回路の開発にフィードバックする。これにより4 MeV付近で10 keV以下のエネルギー分解能を実現する。信号の記録には、オシロスコープを使用して波形信号をデジタルデータとして保存するため、その機種選定を行う。
極低温環境下でのCaF2結晶の蛍光検出を実現する。光吸収体として、熱容量が微小な超薄膜Si半導体を使用し、光吸収体の温度上昇をNTD-Geサーミスターで測定することで蛍光量の測定を行う計画であり、その設計を行う。熱量検出と同じセンサーを使用することで、低温エレクトロニクスの低ノイズ化の取り組みを効率的に進められる。蛍光の集光のために、光吸収体をCaF2結晶に熱的に接触させると、CaF2検出器の熱容量が増加し、熱量検出器としてのエネルギー分解能が大きく劣化する。また、光吸収体においては、熱量による温度上昇も引き起こし純粋な蛍光量を検出できない。対策として、光学的な計算を行い、CaF2結晶に直接接触させずに蛍光を高効率で検出する。
CaF2結晶の蛍光発光波長は、室温では紫外領域(～285 nm)である。そのため、集光用の反射材は一般的な反射Filmでは効率の低下も懸念される。この問題の対策として、室温下でのCaF2検出器の経験を踏まえて反射材の選定を行うとともに、必要があれば波長変換材などを反射材表面に塗布し、可視光に変換して検出することも検討する
熱量と蛍光の同時検出は、反応のエネルギーを熱量検出で決定し、蛍光によって測定した波高は、熱量との比をとることによって、粒子識別に利用する。この原理を、エネルギー較正で利用した内部不純物のα線事象を使って検証する。
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| Causes of Carryover |
蛍光熱量検出器による信号を、記録保存するためのデジタルオシロスコープの購入を計画していたが、次年度に購入することとしたために次年度使用額が生じた。今年度の研究計画では信号の記録保存の必要はなく、高速記録機能を持たない既存のデジタルオシロスコープを使用できた。当初は初年度から、最終的に必要となる機器を購入して研究を行う計画であったっが、当該製品は機器のアップグレード頻度が早く、同じ仕様の機器の価格低下も早い。今後の開発経費を節約するため、汎用性の高い機種を次年度購入することに変更した。購入を遅らせたのは、研究の進捗上の問題ではない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
27年度上半期に、高速保存機能デジタルオシロスコープ（２０MHｚサンプリング、連続波形記録機能）を購入する。
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