2015 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 / ボロメーター / シンチレーション検出器 / フッ化カルシウム結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ニュートリノレス二重ベータ(以下、0νββ)崩壊の観測は、ニュートリノ質量の絶対値を測定する極めて有効な手法である。また、0νββ崩壊の発見は、ニュートリノのマヨラナ性の直接的な証明になり、ニュートリノの微小質量を自然に説明するシーソー機構を強く支持する。本研究計画では、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シンチレーション検出器を、10mK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、0νββ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。熱量に加えてシンチレーション光を同時検出し、両者の信号強度を比較して、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。
本研究の検出器開発の主要部分の一つである希釈冷凍機を東京大学から譲り受け、その装置の立ち上げに向けた準備を行った。He3-He4循環系に漏れ箇所がいくつか見つかり、配管の補修作業を行いそれらが完了した。検出器中心部の結晶およびそのホルダーはすでに完成しており、熱リンク部分も当初の設計通りに製作完了した。光検出器については、光吸収デバイスとサーミスター部分の設計を完了し、ホルダーの検討に入っている。エネルギー較正に必要な線源導入方法について、外部からの照射と内部への弱いα放射能の導入を併用して行うことが効率的であり、放射能導入によるカウントレートの上昇が、測定に与える影響についても評価を行った。以上のことが完了し、冷却試験実施に向けて運転のめどが立った。
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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、初期の研究環境が不十分であることを予想していたが、この点に関しては、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った。その運搬を実施し、検出器開発のトライアル頻度を飛躍的に向上させるため、運転実施に向けて準備が進んでいる。これが実現できれば今後の研究において大きな進捗が期待できる状態にある。予定では、年度内に起動ができるよう準備を進めてきたが、装置の気密性に問題があり補修に時間を要しているため実現には至っていないがかなり見通しが立つところまでは到達できた。おおよそ予定通りに進行し、そのほかの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製作も順調に終了した。
検出器を制御・監視するための温度計の読み出し準備が完了しており、周辺部分の環境整備を完了した。将来の地下実験室での実験実施を目指して液化ヘリウムの再生装置を運用することを目的として装置の立ち上げを行う予定は、機械部分のコンプレッサーの不具合のため代替措置として、大学の低温センターから液化ヘリウムを運搬し冷却することとした。そのためのヘリウムガス回収ラインの敷設等も終了しており問題にはならない。
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| Strategy for Future Research Activity |
極低温下(lOmK以下)にフッ化カルシウム（以下、CaF2）結晶を冷却し、熱量検出に加えて低温下のCaF2検出器から蛍光信号を検出し、熱量蛍光検出器の原理検証を行う。最終的に使用する結晶は高純度不活性CaF2シンチレーション結晶であるが、第一段階として、蛍光発光量が大きく、発光波長も可視光領域であるユーロピウム（Eu）活性CaF2シンチレーション結晶を使用する。蛍光検出器としての性能が良好なCaF2(Eu)シンチレーション結晶
を使用することで、蛍光信号の検出を容易に行い、信号処理部分（低温エレクトロニクス）の改良・開発を効率的に行う。
結晶サイズは30mm角(90g）の立方体とし、４個を同時に冷却し、検出器の最終デザインとして必須な多結晶化の実証に取り組む。多結晶化された検出器システムからのデータにより、48Caのニュートリノレス二重ベータ崩壊のQ値（4.3MeV）付近でのバックグラウンド除去性能を考察するとともに、大型化へ向けた検出器デザインへのフィードバックを目指す。下記の項目について研究を実施していく。
①読み出し用エレクトロニクスの改良：サーミスターからの微弱な信号を検出するために、低ノイズ低温エレクトロニクスの改良を行う。特に、熱量信号は検出器の比熱に強い相関（比例）があり、比熱は検出器温度の３乗に比例するため、安定したゲインを得るためには検出器温度の安定化が必要である。検出器結晶にヒータを導入し、外部からのパルス電流によって、検出器温度を1mK以下で安定的に制御するシステムを構築し、実装する。
②検出器のエネルギー較正方法の確立：ウラン系列の放射性不純物を多く含むCaF2結晶を使用して、結晶内部の放射能によってエネルギー分解能を評価する（検出器結晶４個のうちの１個）。外部放射線源を使用したエネルギー較正との比較を行い、正確なエネルギー較正方法について調査する。
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| Causes of Carryover |
今年度の購入予定消耗品の購入時期が年度末までに終わっていないのが理由。研究において消耗品の使用は継続的に行われているが、必要な時期に必要なものを購入しているため状況に応じて支出時期が前後する。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
真空フランジ部分のインジウムシール（ガスケット）購入に充てる予定である。
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[Journal Article] Low background techniques in CANDLES2015
Author(s)
K. Nakajima, T. Iida, T.Kishimoto, K. Matsuoka, M. Nomachi, S. Umehara, W. M. Chan, H. Kakubata, X. Li, T. Maeda, T. Ohata, B. Temuge, K. Tetsuno, V.T.T. Trang, T. Uehara, S. Yoshida, K. Morishita, I. Ogawa, K. Sakamoto, Y. Tamagawa, M. Yoshizawa, K. Fushimi, R. Hazama, N. Nakatani, and K. Suzuki
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Journal Title
AIP Conference Proceedings
Volume: 1672
Pages: 110004
DOI
Open Access
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