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超軽量・高電圧電極を備えた大型キセノンガス検出器の開発による0νββ崩壊探索

研究課題

研究課題/領域番号 18J20453
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
研究機関京都大学

研究代表者

吉田 将  京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードTPC / キセノン / ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊 / フィールドケージ / コッククロフト-ウォルトン回路 / 二重ベータ崩壊 / マヨラナニュートリノ
研究実績の概要

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊(0νββ)探索のため, 大質量崩壊核・高エネルギー分解能・背景事象除去という3項目を兼ね備えた検出器, 高圧キセノ ンガスタイムプロジェクションチェンバー(TPC)を開発し, 136Xeの0νββを高感度で探索できる技術を確立すべく研究を行っている.
今年度は, 前年度設計した電場形成電極(フィールドケージ)を製作して180 L試作機に導入した. 圧力容器中のガス領域のうち可能な限り広く有感領域をとるために絶縁壁を介して圧力容器と接するまで電極を広げたことで, 当初電極部での放電により検出器の安定動作に支障をきたしていたが, カメラによる内部の観察や大気・アルゴン中での放電試験などにより放電箇所を特定し対策したことで, 最終的にキセノン5.0気圧下で目標電圧のアノード-7.5 kV, カソード-17.5 kVでの安定動作に成功した. ガス圧の上昇と有感体積の向上により従来より高いエネルギーのガンマ線による検出器の評価が可能となり, さらに光量の時間変動に対する新たな補正手法など解析における改善も施した結果, 662 keVのガンマ線に対して1.28%(136Xeの0νββ Q値2458 keVに外挿して0.67%)という非常に高いエネルギー分解能を得た.
また, 圧力容器内部での高電圧生成回路として前年度まで開発を進めてきたコッククロフト-ウォルトン(CW)回路を, 今年度初めてフィールドケージと統合して180 L試作機に導入し, キセノン6.2気圧中での動作確認を行った. 6.2気圧下での検出器運用に必要な-22 kVの高電圧をキセノン中で生成することに成功した. 圧力容器内の高圧希ガス下での昇圧に成功したことは, 大型の希ガスTPCを用いる0νββ探索や暗黒物質直接探索での高電圧導入における従来の限界を根本的に打破した重要な結果である.

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Front-End Electronics for the SiPM-Readout Gaseous TPC for Neutrinoless Double-Beta Decay Search2020

    • 著者名/発表者名
      Nakamura K. Z.、Ban S.、Ichikawa A. K.、Ikeno M.、Nakamura K. D.、Nakaya T.、Obara S.、Tanaka S.、Uchida T.、Yoshida M.
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Nuclear Science

      巻: 67 号: 7 ページ: 1772-1776

    • DOI

      10.1109/tns.2020.2988716

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] AXEL: High-pressure Xe gas TPC for BG-free 0ν2β decay search2020

    • 著者名/発表者名
      Obara S.、Ban S.、Hirose M.、Ichikawa A.K.、Kikawa T.、Nakamura K.Z.、Nakaya T.、Tanaka S.、Yoshida M.、Iwashita Y.、Sekiya H.、Nakajima Y.、Ueshima K.、Miuchi K.、Nakamura K.D.、Minamino A.、Nakadaira T.、Sakashita K.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      巻: 958 ページ: 162803-162803

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.162803

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design and performance of a high-pressure xenon gas TPC as a prototype for a large-scale neutrinoless double-beta decay search2020

    • 著者名/発表者名
      Ban S、Hirose M、Ichikawa A K、Iwashita Y、Kikawa T、Minamino A、Miuchi K、Nakadaira T、Nakajima Y、Nakamura K D、Nakamura K Z、Nakaya T、Obara S、Sakashita K、Sekiya H、Sugashima B、Tanaka S、Ueshima K、Yoshida M
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2020 号: 3

    • DOI

      10.1093/ptep/ptaa030

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Drift field generation with Cockcroft-Walton voltage multiplier in xenon gas for AXEL 0vββ search detector2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshida M、Ban S、Hirose M、Ichikawa A K、Iwashita Y、Kikawa T、Minamino A、Miuchi K、Nakadaira T、Nakajima Y、Nakamura K D、Nakamura K Z、Nakaya T、Obara S、Sakashita K、Sekiya H、Sugashima B、Ueshima K
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 1468 号: 1 ページ: 012151-012151

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1468/1/012151

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] AXEL実験: 1 MeV以上のガンマ線による大型試作機のエネルギー分解能の評価2021

    • 著者名/発表者名
      吉田 将
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Detector performance of AXEL prototype high-pressure Xe gas TPC for 0νββ search2020

    • 著者名/発表者名
      Masashi YOSHIDA
    • 学会等名
      新学術領域「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 高圧キセノンガスTPCでミグダル効果の観測なるか?2020

    • 著者名/発表者名
      吉田 将
    • 学会等名
      ミグダル観測検討会DAY2
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] AXEL実験: 大型試作機の662 keVガンマ線によるエネルギー分解能の評価2020

    • 著者名/発表者名
      吉田 将
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Drift field generation with Cockcroft-Walton voltage multiplier in xenon gas for AXEL 0νββ search detector2019

    • 著者名/発表者名
      Masashi YOSHIDA
    • 学会等名
      16th International Conference on Topic in Astroparticle and Underground Physics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 0νββ探索実験AXEL 実験計画と大型試作機での測定結果2019

    • 著者名/発表者名
      吉田 将
    • 学会等名
      マイクロパターンガス検出器 & アクティブ媒質TPC合同研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 0νββ探索に向けた高圧XeガスTPC内でのコッククロフト-ウォルトン回路による高電圧生成とドリフト電場形成2019

    • 著者名/発表者名
      吉田 将
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Formation of Strong Drift Field with Cockcroft-Walton Voltage Multiplier in a High-Pressure Xenon Gas TPC2019

    • 著者名/発表者名
      Masashi YOSHIDA
    • 学会等名
      新学術領域「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 0νββ崩壊探索用XeガスTPC AXEL: コッククロフト-ウォルトン回路による高電圧ドリフト電場形成2019

    • 著者名/発表者名
      吉田将
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AXEL: プロジェクト概要とTPC開発の現状2019

    • 著者名/発表者名
      吉田将
    • 学会等名
      アクティブ媒質TPC開発座談会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] AXEL---a high pressure xenon gas TPC for 0νββ search2018

    • 著者名/発表者名
      YOSHIDA, Masashi
    • 学会等名
      XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (NEUTRINO2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 0νββ崩壊探索用高圧キセノンガスTPCのための高電圧ドリフト電場形成2018

    • 著者名/発表者名
      吉田将
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 高圧XeガスTPC AXELのためのドリフト電場形成2018

    • 著者名/発表者名
      吉田将
    • 学会等名
      二重ベータ崩壊若手研究会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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