液体シンチレータを用いたニュートリノ研究のための背景事象の除去

• 研究課題/領域番号: 21K13931
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 家城 斉 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 特任助教(研究) (70826940)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
• キーワード: ポジトロニウム / 粒子識別 / 液体シンチレーター / シンチレーター / ニュートリノ

研究開始時の研究の概要

本研究ではニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を高感度で観測するため、背景事象の低減に取り組む。具体的には、電子・陽電子を識別する手法を開発することによって宇宙線の核破砕に由来する不安定核の崩壊を同定する。深刻な背景事象の多くは陽電子を放出する崩壊である。陽電子は液体シンチレーター中でポジトロニウムを形成した場合、検出される光信号の波形に歪みを生じるため、電子と弁別することができる。
本研究はポジトロニウムの形成率と寿命の測定と、波形の歪みを検知するフィッターの開発を行う。これによって電子・陽電子の識別し、高精度で背景事象の検出効率を見積もる。

研究成果の概要

物理探索において、検出器の感度を定量的に評価するためには検出効率の不定性を見積もることが不可欠である。本研究は液体シンチレーター検出器で電子と陽電子を弁別するときに、検出効率の不定性の要因となるオルソポジトロニウムの寿命と形成率を測定することに注力した。
本研究で陽電子の識別が可能になるのは、陽電子が物質中の電子と反応してオルソポジトロニウムを形成した場合に限られており、オルソポジトロニウムの寿命と形成率は周辺物質に依存する。測定環境の構築と実測を行い、寿命については文献値とおよそ矛盾しない結果が得られ、測定方法の大筋が確認できた。形成率を測るためには装置に改善の余地がある。

研究成果の学術的意義や社会的意義

カムランド禅実験は世界最高感度でニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の探索を行っている。探索感度の向上を妨げている最たる原因は背景事象の多さであり、電子と陽電子の弁別が可能になると探索感度の向上に貢献できる。感度を正しく評価するためには、背景事象の弁別効率の不定性を見積もることが不可欠であり、陽電子の弁別効率を導出するにはポジトロニウムの寿命と形成率が必要がである。カムランド禅実験で使用しているキセノン入り液体シンチレーターで測定の前例はないので実測が必須である。