2014 Fiscal Year Annual Research Report
CANDLES実験における中性子線源を用いた検出器較正およびバックグラウンド調査
Publicly Offered Research
| Project Area | Unification and Development of the Neutrino Science Frontier |
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| Project/Area Number |
26105513
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
飯田 崇史 大阪大学, 核物理研究センター, 特任助教(常勤) (40722905)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / ニュートリノ / ２重ベータ崩壊 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、カルシウム４８同位体を用いた２重ベータ崩壊探索を目的としたＣＡＮＤＬＥＳ実験において、現在問題となっている高エネルギー領域のバックグラウンドの正体を明らかにする。カルシウム４８はＱ値が4.3MeVと全２重ベータ崩壊核の中で最も高く、バックグラウンドに強い核種であると言える。ＣＡＮＤＬＥＳでは300kgのCaF2シンチレータを用いて低バックグラウンド環境下での２重ベータ崩壊探索を目指している。
これまでのデータ解析から5MeV以上の領域までバックグラウンドが存在していることがわかっており、これはウランやトリウム系列の自然放射性不純物では説明がつかず、長い間謎となっていた。一つの候補として実験装置の周囲にある岩盤やステンレスが中性子を捕獲した際にでるガンマ線が、このバックグラウンドを作っている可能性が考えられ、本研究においては実際に検出器に中性子線源を照射してその詳細を調べることが一つ目の目的である。
またSi-28の原子核は中性子を吸って3.5MeVと5.0MeVのガンマ線を出すが、これはカルシウム４８の２重ベータ崩壊のＱ値（4.3MeV）に近い。Ｓｉを含んだポリエチレンブロックに中性子線源を設置することで、このガンマ線を作り出し、ＣＡＮＤＬＥＳにおけるエネルギー較正の不定性を減らすことが本研究の２つ目の目的となる。
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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
１年目の今年は、まずＣＡＮＤＬＥＳ実験において実際に中性子線源としてCf-252を用いたデータ取得を行った。中性子線源データのスペクトルは、これまでに得られていたバックグラウンドスペクトルを完全に再現し、5MeV以上の領域のバックグラウンドが初めて明らかになった。またそのスペクトルはシミュレーションでも良く再現され、詳細な解析の結果、実験室岩盤からのγ線と、ステンレスタンクからのγ線の比が、７：３で岩盤が支配的であることを明らかにした。これにより外部からのγ線シールドが必要であることを示し、実験グループは来年の鉛シールド導入に向けて動き始めている。導入されればＢＧが一桁以上削減できる。
またSi-28の原子核を含むポリエチレンブロックを約３０ｋｇ作成し、中心に中性子線源を配置しデータ取得を行った。それにより、Si-28が中性子を吸い込んだ際に出す3.5 / 5.0 MeVのγ線をCANDLES検出器で検出することに成功した。詳細な解析は現在遂行中であるが、これまで1.84MeVのγ線のみでエネルギー較正していた較正点を３つに増やすことによってエネルギースケールの不定性を抑えることが可能となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
バックグラウンドに関しては、その起源が完全に明らかとなったため、今年度はバックグラウンドをどう防ぐかに焦点を当てる。メインのバックグラウンドが周囲の岩盤からのガンマ線であるため、タンク周囲に鉛シールドを配置することでこれを防ぐ。またステンレスタンクが中性子を吸って出すガンマ線も防ぐために、ホウ素入りの中性子シールドをステンレスタンク内外に配置する。この二つの改造によって、中性子捕獲ガンマ線のバックグラウンド量はこれまでの８０分の１になる試算である。すでに本研究の結果を基にしたシミュレーションスタディによって、シールドデザインは完成しており、今年度はシールドの構築を終わらせる予定である。
またSi-28を含むポリエチレンブロックを用いてデータ取得を行ったが、統計数が少ないことによる不定性が大きいことが判明した。この対策として、ブロックの周囲をグラファイトの中性子反射材で囲うことで、中性子が外に逃げるのを防ぐ予定である。これによって数倍の統計数が期待され、目標としていた0.5%以内でのエネルギー較正を達成する。
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[Presentation] Status of the CANDLES project2014
Author(s)
Takashi Iida
Organizer
XXVI International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (NEUTRINO2014)
Place of Presentation
Boston University, Boston, USA
Year and Date
2014-06-02 – 2014-06-07
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