48Caを用いたニュートリノマヨラナ性の研究と次世代高感度化技術開発

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: 地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化
• 研究課題/領域番号: 19H05804
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 梅原 さおり 大阪大学, 核物理研究センター, 准教授 (10379282)
• 研究分担者: 仁木 秀明 大阪大学, 核物理研究センター, 協同研究員 (00135758) ; 小川 泉 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (20294142) ; 宮永 憲明 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 研究部, 特別研究員1 (80135756)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: 二重ベータ崩壊 / 低バックグラウンド / 稀崩壊 / 同位体濃縮 / 蛍光熱量検出器

研究実績の概要

本計画では、48Ca同位体のニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊測定を行うとともに、次世代二重ベータ崩壊測定技術開発を行なう。この次世代測定装置開発として、CaF2蛍光熱量検出器開発、48Ca同位体濃縮技術開発を行う。
1)二重ベータ崩壊測定および高純度CaF2結晶開発：神岡地下実験室で取得した二重ベータ崩壊測定データを用いて、48Caの二重ベータ崩壊半減期下限値を得た。また、高純度CaF2結晶開発のために、結晶生成に使用するるつぼの放射性不純物量と結晶の不純物量の関係を調べた。結果、るつぼの不純物量は、mBqレベルでは結晶純度に影響しないことが分かった。
2)48Ca濃縮：シート状原子ビームの効率的な生成法の研究を引き続き行った。ビームプロファイルモニターとして、TOF測定法・膜厚測定法に加えて新たに蛍光モニターの開発も行った。また、注入同期型青紫色半導体レーザーシステムの波長安定性向上のため、レーザー制御モジュールの最適化を行った。レーザー制御モジュールによりスレーブレーザーの発振波長のフィードバック制御を行うことで、３時間の波長変動を0.6 MHz (rms) に抑えることに成功した。また、原子ビームとレーザーを組み合わせた試運転を行い、カルシウムに同期できることを確認した。
3)CaF2蛍光熱量検出器開発：直径50 mm×長さ50 mm円柱状のCaF2結晶に熱量読み出し用MMCセンサーと、光検出用MMCセンサーを実装した蛍光熱量計のデータ解析を進めた。結果、熱・光信号の波形・波高・立ち上がりタイミング差などが各々相関を持っていることが分かった。これらパラメータを使い、機械学習によってエネルギー分解能を改善するための解析ツールの準備を進めた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

コロナの影響もあり、装置構築に遅れが継続する傾向にあるが、一方、二重ベータ崩壊測定の解析については進んでおり論文として発表した。韓国との共同研究としてCaF2蛍光熱量計を進めるうえで、渡航が困難であったため、大阪大学の希釈冷凍機を使って、同じ測定ができるよう設備の整備を進めた。

今後の研究の推進方策

当初の計画では、スレーブレーザーの個数を2個→5個→20個と段階的に増やす計画であったが、システム設計上問題は起こらないと思われるため、一気に20個以上へと個数を増やす。また、複数のスレーブレーザーの波長を精密に安定化させる新手法の開発を目指す。シート状原子ビームの効率的な生成法の研究を、実験及びシミュレーションの双方から引き続き進めていく。前年度製作した真空チェンバーに接続可能なシート状原子ビーム発生装置の設計を行い、固まり次第一部については製作も行う。熱量計は、SQUID量子センサーの納品が完了後、大阪大学にて、直径50 mm×長さ50 mm円柱状のCaF2シンチレータ結晶に熱量読み出し用MMCセンサーと、光検出用MMCセンサーを実装した蛍光熱量計を実現して再現測定を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Development of the laser isotope separation method to study for the neutrino-less double beta decay of ⁴⁸Ca (2022)
  • 著者名/発表者名: Ogawa I、Kawashima Y、Hiraiwa T、Tozawa M、Niki H、Tokita S、Han B、Okuda H、Miyanaga N、Umehara S、Matsuoka K、Yoshida S
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2147 ページ: 012012～012012
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2147/1/012012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Status of $^{48}$Ca double beta decay search with CANDLES (2022)
  • 著者名/発表者名: Umehara Saori et al.
  • 雑誌名: Proceeding of Science 巻: 380 ページ: 0291
  • DOI: 10.22323/1.380.0291
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low background measurement in CANDLES-III for studying the neutrinoless double beta decay of Ca48 (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Ajimura, T. Khai, T. Kishimoto, K. Matsuoka, M. Nomachi, Y. Takemoto, Y. Takihira, K. Tetsuno, S. Umehara, T. Batpurev, K. Mizukoshi, T. Ohata, S. Yoshida, K. Nakajima, I. Ogawa, Y. Tamagawa, M. Tozawa, K. Fushimi, R. Hazama, A. Rittirong, K. Suzuki, T. Iida et al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 ページ: 092008
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.103.092008
  • 査読あり
• [雑誌論文] The energy calibration system for CANDLES using (n,γ) reaction (2021)
  • 著者名/発表者名: Iida T. et al
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 986 ページ: 164727～164727
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164727
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Study on Energy Resolution of CANDLES Detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Khai B. T.、Ajimura S.、Chan W. M.、Fushimi K.、Hazama R.、Hiraoka H.、Iida T.、Kanagawa K.、Kino H.、Kishimoto T.、Maeda T.、Nakajima K.、Nomachi M.、Ogawa I.、Ohata T.、Suzuki K.、Takemoto Y.、Takihira Y.、Tamagawa Y.、Tozawa M.、Tsuzuki M.、Umehara S.、Yoshida S.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Nuclear Science 巻: 68 ページ: 368～378
  • DOI: 10.1109/TNS.2021.3054788
  • 査読あり
• [学会発表] Calcium isotope separation by DC18C6 crown-ether for neutrinoless double beta decay of 48Ca (2022)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 日本原子力学会2022年春の年会
  • 国際学会
• [学会発表] CANDLES 実験でのバックグラウンド除去用の波形弁別の改善 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉岡篤志
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] 48Ca の半減期測定に向けた48Sc 検出効率の改善とキレート樹脂でのSc 捕集効率の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原田卓明
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] 208Tl起因のバックグラウンド除去に向けたCANDLES実験のデータ解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三好剛
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] 微量分析に用いる低放射能ゲルマニウム検出器の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田朋美
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] Isotope separation of 48Ca via liquid-liquid extraction using DC18C6 crown-ether (2022)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 第18回同位体科学研究会
• [学会発表] 二重ベータ崩壊実験のためのCaF2結晶の高純度化III (2022)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] 機械学習によるCaF2 シンチレーティングボロメーターの分解能改善 (2022)
  • 著者名/発表者名: 白井竜太
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] 量子ポイントコンタクトの放射線応答 (2022)
  • 著者名/発表者名: 湯田秀明
  • 学会等名: 日本物理学会第77 回年次大会
• [学会発表] Calcium isotope separation using DC18C6 Crown-Ether for the study of neutrinoless double beta decay of 48Ca (2022)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 日本原子力学会関西支部「第17回若手研究者による研究発表会」
• [学会発表] Basic Research on Radiation Response of Semiconductor Quantum Devices (2022)
  • 著者名/発表者名: Sei Yoshida/ Hideaki Yuta
  • 学会等名: 2021年度電気通信研究所共同プロジェクト研究発表会
• [学会発表] 化学交換法における同位体分別研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 硲 隆太
  • 学会等名: 京都大学複合原子力科学研究所「第56回学術講演会」
• [学会発表] 48Caの二重ベータ崩壊の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 梅原さおり
  • 学会等名: 令和3年度東京大学宇宙線研共同利用研究成果発表会
• [学会発表] 狭線幅・高出力青紫色レーザーの開発 ー48Caの濃縮を目指してー (2022)
  • 著者名/発表者名: 時田茂樹*
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第42回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Neutrino less double beta decay overview (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Umehara
  • 学会等名: Tsukuba Global Science Week 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Status of 48Ca double beta decay search with CANDLES (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Umehara
  • 学会等名: Particles and Nuclei International Conference 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Status of 48Ca double beta decay search in CANDLES (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Minami
  • 学会等名: 17th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP 2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Isotope separation by DC18C6 crown-ether for neutrinoless double beta decay of 48Ca (2021)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 16th International Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases(SPLG2021) Modern problems of separation in nuclear fuel cycle, Moscow
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the laser isotope separation method to study for the neutrino-less double beta decay of 48Ca (2021)
  • 著者名/発表者名: Ogawa I
  • 学会等名: 16th International Workshop on Separation Phenomena in Liquids and Gases(SPLG2021)
  • 国際学会
• [学会発表] "CANDLES Low background double beta decay experiment using Ca-48" (2021)
  • 著者名/発表者名: Takashi Iida, for the CANDLES collaboration
  • 学会等名: The 28th International Workshop on Weak Interactions and Neutrinos (WIN2021),
  • 国際学会
• [学会発表] 二重ベータ崩壊 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅原さおり
  • 学会等名: 研究会「基礎物理研究会」(KEK S型課題 合同研究会 のサテライト）
• [学会発表] レーザー同位体分離における原子ビームのプロファイルモニタの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 祐伯蓮*
  • 学会等名: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [学会発表] Geant4 をベースにしたレーザー同位体濃縮のシミュレーション開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中島諄也*
  • 学会等名: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [学会発表] 偏向法を用いた48Caの大量生産に向けた原子ビーム系の開発・研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平岩侑*
  • 学会等名: 日本物理学会北陸支部定例学術講演会
• [学会発表] 48Ca のβ 崩壊測定のための実験装置と改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本朝陽
  • 学会等名: 第2回新学術「地下宇宙」若手研究会
• [学会発表] 48Ca同位体分離のための青紫色高出力半導体レーザーシステムの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 奥田弘礼 他
  • 学会等名: 応用物理学会 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] CANDLES による二重ベータ崩壊の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 南雄人
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会
• [学会発表] CANDLES実験における232Th起因バックグラウンドの低減に向けた機械学習を用いた解析手法の改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 阪井俊樹
  • 学会等名: 日本物理学会2022 年秋季大会
• [学会発表] 48Ca のβ 崩壊測定のための実験装置と改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本朝陽
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会
• [学会発表] 二重ベータ崩壊実験のためのCaF2結晶の高純度化II (2021)
  • 著者名/発表者名: 黒澤俊介
  • 学会等名: 日本物理学会2021 年秋季大会
• [学会発表] Chemical Exchange Isotope Separation of Calcium and Lithium via Organic Phase Macrocyclic Crown-Ether (2021)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 日本原子力学会2021年秋の大会
• [学会発表] 48Caのベータ崩壊の研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅原さおり
  • 学会等名: 新学術領域研究（研究領域提案型）『学術研究支援基盤形成』 短寿命RI供給プラットフォーム成果報告会 兼 RI利用研究会
• [学会発表] Isotope Separation of Calcium and Lithium by Chemical Exchange Method using DC18C6 Crown-Ether (2021)
  • 著者名/発表者名: Rittirong Anawat
  • 学会等名: 第18回ホストゲスト・超分子化学シンポジウム
• [学会発表] 極低温技術による宇宙素粒子研究の高感度化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田斉
  • 学会等名: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」2021年度オンライン領域研究会
• [学会発表] 48Caのβ崩壊半減期測定に向けたGEANT4による検出器の再現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本朝陽
  • 学会等名: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」2021年度オンライン領域研究会
• [学会発表] 48Scのβ崩壊測定のための実験装置と改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: 原田卓明
  • 学会等名: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」2021年度オンライン領域研究会
• [学会発表] 48Caを用いたニュートリノマヨラナ性の研究と次世代高感度化技術開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 梅原さおり
  • 学会等名: 新学術領域「地下から解き明かす宇宙の歴史と物質の進化」2021年度オンライン領域研究会