ニュートリノレス二重ベータ崩壊観測のための熱量蛍光検出器の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15J00768
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 鉄野 高之介 大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2015-04-24 – 2018-03-31
• キーワード: 二重ベータ崩壊 / ニュートリノ / 熱量蛍光検出器

研究実績の概要

ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊(０νββ崩壊)の発見を目指すCANDLES実験では48Caを含むCaF2結晶と光電子増倍管を用い、蛍光信号を観測することで48Caの0νββ崩壊探索を行っている。検出器のさらなる高感度化のためには、高いエネルギー分解能とバックグランド除去能力をもった検出器が必要であり、そのためにCANDLES実験では、48Caを用いた熱量蛍光検出器を導入する計画である。私は将来の大型熱量蛍光検出器の実現のために数10~数100グラムのCaF2結晶を4~8個用い、熱量蛍光検出器の原理検証を行う。
48Caの熱量蛍光検出器の原理検証を行うためには、CaF2結晶とその熱量信号を検出するためのサーミスター、蛍光信号を検出するための光検出器、結晶を極低温に冷却するための希釈冷凍機、さらに微小な信号を増幅するためのアンプおよび測定されたデータを記録保存するシステムが必要である。平成27年度までに、CaF2結晶やサーミスターの準備は完了しており、東京大学から譲り受けた希釈冷凍機の補修も進めてきた。
平成28年度は主に、希釈冷凍機の補修と、冷却実験、アンプの性能調査、光検出器の準備、測定したデータの記録保存システムの構築を行った。
以上から、10mK程度の極低温が実現した場合、CaF2結晶の熱および光信号を測定できる検出器の製作は完了した。
希釈冷凍機の補修も完了し、1Kまでは既に実現している。新年度早々に10mK程度の極低温冷却を行う予定である。

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

熱量蛍光検出器において、微小な熱信号を検出するためには、結晶の熱容量を小さくすることが重要であり、そのために結晶を安定的に10mK程度の極低温に冷却できる希釈冷凍機を用いる必要がある。希釈冷凍機は平成27年度に東京大学から譲り受けることができた。しかし老朽化のため、真空配管にリーク箇所が非常に多く存在した。希釈冷凍機は大変高価な3Heを使用するため、冷凍機にリーク箇所があることは深刻な問題となる。そのためヘリウムリークディテクターを用いたリーク箇所の特定とその補修を行った。補修が困難な箇所は業者と相談し、新たに真空ラインを構築した。その結果、希釈冷凍機のリークを完全に修復した。
我々の使用している希釈冷凍機の冷却では、10 mK程度の極低温に冷却するため、第一段階として、液体窒素で予冷を行い液体窒素温度(77K)に冷却する。次に液体窒素を汲み出し、液体ヘリウムを汲み入れ、液体ヘリウム温度(4K)に冷却する。その後3Heを液化するための1K Potを減圧冷却により約1K に冷却する。最後に3He/4He混合ガスをポンプで循環することにより10 mK程度の極低温まで冷却する。平成28年度は複数回の冷却実験によりこれらの冷却過程を段階的にテストした。その結果、77K, 4K, 1K　を実現した。3He/4He混合ガスの循環テストとして、4Heガスの循環も行い、問題がないことを確認した。
アンプや光検出器、その他、熱・光信号の記録保存システム及び、希釈冷凍機の圧力、温度の記録保存システムの構築も完了した。
以上から新年度早々に10mK程度の極低温冷却を行い、CaF2結晶の熱、光信号を測定することができる。
そのため研究計画はおおむね順調に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

48Caを用いた熱量蛍光検出器の開発において、新年度早々CaF2結晶4個を10mK程度の極低温まで冷却し、CaF2結晶の熱、光信号を測定する。測定によって得られた熱量検出器のデータを解析し、高エネルギー分解能が得られることを実証する。
光検出器は238Uのα崩壊によるバックグラウンドを除去するために用いられる。バックグランド除去能を向上するためには、検出される光量を増加させる必要があり、そのために反射フィルムを結晶周りに取り付ける。今後はこの反射フィルムの材料を選定する。これにより、蛍光検出器を導入することで高いバックグラウンド除去能が得られることを実証する。
さらに、0νββ崩壊探索には大量の崩壊核が必要であるので、結晶サイズを大型化し、熱量と蛍光量の同時検出を行う。結晶の大型化により熱容量が大きくなるので、波形記録装置を導入し、オフライン解析においてノイズ除去に取り組む。これにより結晶の大型化・複数化を行うことで、将来の48Caを用いた大型熱量蛍光検出器の実現が可能であることを立証する。

研究成果

• [雑誌論文] The CANDLES experiment for the study of 48Ca double beta decay (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Iida, T. Kishimoto, M. Nomachi, S. Ajimura, S. Umehara, K. Nakajima, K. Ichimura, S. Yoshida, K. Suzuki, H. Kakubata W. Wang, W.M. Chan, V.T.T. Trang, M. Doihara, T. Ishikawa, D. Tanaka, M. Tanaka, T. Maeda, T. Ohata, K. Tetsuno, et al.
  • 雑誌名: Nucl. Part. Phys. Proc. 巻: 273~275 ページ: 2633~2635
  • DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.013
• [雑誌論文] Status and future prospect of 48Ca double beta decay search in CANDLES (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Iida, K. Nakajima, S. Ajimura, T. Batpurev, W.M. Chan, K. Fushimi, R. Hazama, H. Kakubata, B.T. Khai, T. Kishimoto, X. Li, T. Maeda, A. Masuda, K. Matsuoka, K. Morishita, N. Nakatani, M. Nomachi, S. Noshiro, I. Ogawa, T. Ohata, H. Ohsumi, K. Suzuki, Y. Tamagawa, K. Tetsuno, et al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 718 ページ: -
  • DOI: 10.1088/1742-6596/718/6/062026
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Study of low background bolometer for CANDLES (2016)
  • 著者名/発表者名: 鉄野高之介
  • 学会等名: 新学術領域研究「ニュートリノフロンティア」研究会2016
  • 発表場所: 山代温泉
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-11-30
• [学会発表] Development of bolometer for 48Ca neutrinoless double beta decay search (2016)
  • 著者名/発表者名: Konosuke Tetsuno
  • 学会等名: DBD16
  • 発表場所: 大阪大学
  • 年月日: 2016-11-08 – 2016-11-10
  • 国際学会
• [学会発表] CANDLESによる二重ベータ崩壊の研究(113)二重ベータ崩壊のためのシンチレーティングボロメーターの開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 鉄野高之介、他CANDLES Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • 発表場所: 宮崎大学
  • 年月日: 2016-09-23 – 2016-09-23
• [学会発表] Development of scintillating bolometer for 48Ca neutrinoless double beta decay search (2016)
  • 著者名/発表者名: Konosuke Tetsuno
  • 学会等名: Neutrino2016
  • 発表場所: Imperial College London, London,England
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-09
  • 国際学会
• [学会発表] Development of scintillating bolometer for 48Ca neutrinoless double beta decay search (2016)
  • 著者名/発表者名: Konosuke Tetsuno
  • 学会等名: Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research 2016
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2016-05-11 – 2016-05-13
  • 国際学会
• [備考] 岸本研究室ホームページ
  • URL: https://wwwkm.phys.sci.osaka-u.ac.jp/index-j.html