| 研究課題/領域番号 |
19K14727
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| 研究機関 | 東北大学 |
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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)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 波形弁別 / シンチレーター / 光検出器 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的はニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の観測感度を向上することである。KamLAND-Zen実験における観測感度は背景事象の統計によって律速されているので、背景事象の検出効率の向上を目指して発光バルーンの開発を行っている。バルーンは(A)Xeを保持するための器であり、なおかつ(B)背景事象を検出する検出器としての役割を持つ。発光バルーンの実用化に向けて、バルーン材がこの2つの要求性能を満たすか検証を進めている。バルーン材としてPENフィルムを検討している。
(A)については、バルーン材のXe透過性が低いことは本研究の必須条件であり、PENフィルムのXe透過性を測定した。2種類の液体シンチレーター(LS)をフィルムで仕切るような検出器を設計、作成した。一方のLSにのみXeを溶解し、LS中のXe濃度をガスクロマトグラフで測定した。PENフィルムのXe透過性が低いことが確認できた。
(B)については、波形弁別の開発とLSの光学特性の測定を進めている。発光バルーンを用いて背景事象を検出する要は、LSとフィルムの発光時定数の違いである。それぞれの発光原理の違いが発光時定数の違いとして現れることを期待している。事前実験として、直径1インチ程度のバイアル内でLSとフィルムの発光波形を測定し、これが弁別可能であることを確かめた。
KamLAND-Zen実験の検出器は十数メートル規模であるので、光が光検出器に届くまでに散乱、吸収、再発光の影響が加わり、波形弁別はバイアルサイズの場合よりも困難になる。この影響はシミュレーションによって考慮する。正確なシミュレーションを行うにはLSの光学特性の再現が重要であるので、光学パラメーターを実測し、シミュレーションに入力する。2019年度は散乱長を測定するためのデータ取得システムおよび光学系を構築し、色素レーザーを用いて測定を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
Xe透過率の測定については、検出器を作成し、ガスクロマトグラフを用いてXe透過率の測定を行った。概ね滞りなく進行することができ、要求性能を満たしている目処がついた。
波形弁別については、バイアルを用いてLSとフィルムにおけるβ線の発光波形を取得してこれらが区別できることを確かめた。LSにおいて、α線の発光はクエンチングによって検出困難になってしまうが、α線がフィルムで吸収されて発光した場合には検出可能な発光量を得られると期待しており、発光量の測定を進めている。
散乱長の測定については、データ取得システムや光学系等の測定を行う環境を整えることができた。光学系の構築にあたり迷光とレーザーが発するノイズの低減に苦慮したが、光学部品を購入し、問題を解消することができた。文献値と矛盾のない測定結果が得られている一方で、偏光特性などいくつか疑問点も残っている。問題が不純物の混入や迷光の残存などセットアップに起因している可能性を考えており、詳細に調査して疑問の解消に努めたいと考えている。
検出器の大きさをKamLAND-Zen実験規模に拡張して波形弁別の手法を開発するためのシミュレーションツールの準備も進めている。GEANT4をベースとしたKamLAND実験独自のツールが開発されており、検出器のジオメトリを忠実に再現したシミュレーションを行うことができる。複雑なツールであるが、実際に利用することで理解を深めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
Xe透過率の測定については、無傷のフィルムを用いて測定を行った。実際にKamLAND-Zen実験で使用する際は、フィルムをバルーンに成形する過程で溶着、洗浄等を行うので、これらの処理を行ったフィルムに対しても同様の測定を行う予定であり、フィルムを用意するだけで速やかに測定を始めることが可能である。
散乱長の測定では、偏光特性についていくつか確認すべきことがある。散乱の角度分布は散乱体の大きさに依存するものであり、不純物の混入が測定結果に影響を与えている懸念がある。具体的には、遮光材がLS中に溶解したり、純化装置のフィルターが劣化するなどして不純物が混入する可能性を疑っており、セットアップを検証して疑問の解消に務めたいと考えている。さらに、セットアップを少し変更することで吸収・再発光の測定を行うことができるので、散乱長の測定が完了次第、取り組む予定である。
光学特性の測定結果をシミュレーションにインプットし、KamLAND検出器規模での波形弁別に取り組む。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウィルスの影響で2020年3月に開催予定であった学会と研究会が中止されたため。光学部品等の購入に使用する予定である。
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