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Development of electron-neutrino detection technology using neutrinos from mu+ decay at rest and its application

Research Project

Project/Area Number 20H00146
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

末包 文彦  東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 教授 (10196678)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 川崎 健夫  北里大学, 理学部, 教授 (00323999)
今野 智之  北里大学, 理学部, 助教 (60751518)
菅谷 頼仁  大阪大学, 核物理研究センター, 助教 (80324747)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥43,680,000 (Direct Cost: ¥33,600,000、Indirect Cost: ¥10,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,790,000 (Direct Cost: ¥18,300,000、Indirect Cost: ¥5,490,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
Keywordsニュートリノ原子核反応 / 静止崩壊ニュートリノ / 電子ニュートリノ検出 / 超新星爆発ニュートリノ
Outline of Research at the Start

これまで良い検出技術が存在していなかった40MeV程度の低エネルギー電子ニュートリノ(νe)を検出するための実験技術の基礎開発を行う.
具体的には,J-PARC研究所のMLFビームラインから発生するμ+が静止崩壊して発生するパルス状のνeを用いて,断面積が大きいと予想される鉛とνeの反応断面積を,鉛-プラスチックシンチレーターサンドイッチ検出器で検出することにより測定する.
この実験技術が確立することにより,これまで不可能だった,νeによる低エネルギーニュートリノ振動の測定や超新星爆発ニュートリノの検出などを行うことができるようになり,新しいニュートリノ研究領域を開くことができる.

Outline of Annual Research Achievements

2020年度は,以下のように,(1)ニュートリノ検出器の開発及び基礎設計,(2)オンサイトでのバックグラウンド測定の準備,(3)ニュートリノフラックス測定のためのJSNS2実験の準備を行った.
(1)モンテカルロシミュレーションおよび文献調査により,ニュートリノと鉛の反応についての理解を深め,ニュートリノ反応の信号について検討し,ニュートリノ検出効率やバックグラウンド除去能率の評価を行い,ニュートリノ検出装置の基礎設計を行った.それを元にしてConceptual Design Report (CDR)を執筆した.シンチレーターの波長変換ファイバー読み出しのテストを行った.東北大の電子光理学研究センターを訪問し,30MeVの電子を用いて行うテスト実験の検討を行った.
(2) オンサイトでのバックグラウンド測定のため,J-PARC MLFの現地調査を行い,実験候補場所を決定した.それを元にバックグラウンド測定の計画書を作成し,MLFに緊急課題として申請した.この申請は審査の後認められた.バックグラウンド測定のため,PANDA検出器を解体し,バックグラウンド測定用の8本システムを製作し,宇宙線と放射線ソースを用いテストを行っている. バックグラウンド測定に使用する,CsI, NaI, 波形弁別能力を持つ新しいタイプのプラスチックシンチレータのテストも行った.読み出しエレクトロニクスの調整も行った.
(3) JSNS2実験の実験準備を行い6月に最初のデータ収集を行うことに成功した.2021年1月から2期目のデータを収集中.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

COVID-19のため,対面の打ち合わせや大学間の共同作業が不可能であり,研究を進める効率が非常に悪かったが,毎週オンラインでミーテイングを開き,作業分担を工夫し,以下のように実験準備を進めることができた.そのため,本研究はおおむね順調に進展しているということができる.
MCや文献調査,毎週のミーテイングでの議論によりニュートリノ検出装置の基礎設計を殆ど完成することができた.この基礎設計書(CDR)は2021年春に投稿する予定.実験現場の調査を行いバックグラウンド測定計画を策定し,MLFの審査を経て,現場でのバックグラウンド測定の許可を得ることができるなど,対外的な交渉も順調に進捗している.
我々の経験の少なかったプラスチックシンチレーターのファイバー読み出しのテストにも成功した.PANDA検出器を解体し,バックグラウンド測定のための8本システムを製作し,宇宙線を用いてテストを行うことができるようになった.ニュートリノフラックスを測定することになるJSNS2実験もデータ収集に成功した.

Strategy for Future Research Activity

(1) J-PARCのMLFでのバックグラウンドの測定:MLFでのバックグラウンド測定のため,粒子識別能力のあるプラスチックシンチレーター,CsIシンチレーター,PANDAを8本使ったシンチレーターアレイを開発・製作する.データ収集システムを構築する.実際にMLFビームラインに持ち込み,バックグラウンドの測定を行う.バックグラウンドデータを基にし,検出器の最終的な構造を決定し,本番実験の検出器を設置する場所の選定を行う.
(2) ニュートリノ検出器の設計製作: 検出器の基礎設計に関する論文を投稿する.ニュートリノ検出器の構造を(1)で測定したバックグラウンド量を参考にして決定する.プラスチックシンチレーター,波長変換ファイバー,鉛シートなどを購入し,ニュートリノ検出器を製作する.ケーブル,MPPC,データ収集用PC,データストレージなどを購入し,データ収集回路システムを完成し,宇宙線を用いて測定器の調整を行う.
(3) コミッショニングデータ取得の準備: 秋に本番のニュートリノ測定計画にPACに申請する.申請が認められた場合,3月に本番検出器をMLFに持ち込み,コミッショニングデータの取得を行う.
(4) JSNS2実験でデータ取得を行い,ニュートリノフラックスを出す解析方法を開発する.

Report

(2 results)
  • 2020 Comments on the Screening Results   Annual Research Report

Research Products

(6 results)

All 2021 2020

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 3 results) Presentation (2 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] The JSNS2 data acquisition system2020

    • Author(s)
      F.Suekane, H.Furuta. T.Kawasaki, T.Konno, Y.Sugaya et al. JSNS2 ollaboration
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 15

    • DOI

      10.1088/1748-0221/15/09/t09002

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Performance of PMTs for the JSNS2 experiment2020

    • Author(s)
      F.Suekane, H.Furuta. T.Kawasaki, T.Konno, Y.Sugaya et al. JSNS2 ollaboration
    • Journal Title

      Journal of Instrumentation

      Volume: 15

    • DOI

      10.1088/1748-0221/15/07/t07003

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Status of JSNS$^2$ experiment2020

    • Author(s)
      Suekane Fumihiko、JSNS 2 Collaboration
    • Journal Title

      Proceedings of Science

      Volume: Nufact2019 Pages: 129-129

    • DOI

      10.22323/1.369.0129

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Presentation] ミュー粒子静止崩壊を用いた 電子ニュートリノ・鉛原子核 散乱検出器の開発2021

    • Author(s)
      今野智之
    • Organizer
      日本物理学会(春)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] μ+静止崩壊νeによる νe+Pb反応断面積の測定計画2020

    • Author(s)
      末包文彦
    • Organizer
      日本物理学会(秋)
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Book] ニュートリノ物理学2021

    • Author(s)
      白井 淳平、末包 文彦
    • Total Pages
      196
    • Publisher
      朝倉書店
    • ISBN
      9784254137811
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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