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2013 年度 実績報告書

高集光液体シンチレータ検出器による二重ベータ崩壊の研究

研究課題

研究課題/領域番号 23684012
研究機関東北大学

研究代表者

清水 格  東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 助教 (10400227)

研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2015-03-31
キーワードニュートリノ / 素粒子実験 / 実験核物理
研究概要

KamLAND-Zen実験は、同位体濃縮したキセノンを液体シンチレータ中に溶かし込むことで、ニュートリノ放出を伴わない二重ベータ崩壊探索を行うことを目的としている。昨年度発表した結果では、ニュートリノの有効質量に対して160-330meVの上限値を得て既に世界最高感度を達成した。さらに純化作業によって主なバックグラウンド源となっていた液体シンチレータ中の放射性不純物を10分の1以下に抑えることに成功した。その一方で、低エネルギーに分布するニュートリノ放出を伴う二重ベータ崩壊によるバックグラウンドが主要なバックグラウンドとなりつつあり、エネルギー分解能の向上が望まれる。本研究では、検出器を改良してエネルギー分解能を向上させることで、逆階層型質量(20 meV以上)の検証を目標とする。
検出器のエネルギー分解能改善を実現するため、高発光量液体シンチレータの開発と集光ミラーの開発を行った。液体シンチレータの開発は、リニアアルキルベンゼンを溶媒とした液体シンチレータの光学性能を高めるため蒸留法による不純物除去を行い、デスクトップ型の小型装置で透過率の向上を確認した。検出器サイズ(約6.5 m)での相対光量に換算すると、約1.6倍程度の増加であった。また、外部ガンマ線を遮蔽するための発光しないバッファーオイルの開発を行い、LAB+DMP(5 g/l)の溶媒が極低発光量・高透過率・同密度の要求を満たすことを確認した。集光ミラーの開発では、Winstone-Cone型高集光ミラーの試作品を16個製作し、検出器サイズの距離から到来するシンチレーション光に対する集光率が1.7~1.9倍程度まで増加することを空気中において実測した。実際の検出器では0度~40度までの範囲の集光が必要であるが、光の入射角度による集光率の低下はほとんど無いことが確認できた。

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

本研究の目的である逆階層型質量の検証のため、エネルギー分解能の改善を目標としていたが、集光ミラー試作と集光性能評価、液体シンチレータ、バッファーオイルの候補選定が完了した。順調に進展した理由として、現在の検出器で用いられている液体シンチレータ及びライトガイド等の性能評価方法・純化方法の経験を今回の開発に応用できたことが挙げられる。

今後の研究の推進方策

今後は、本年度に製作した試作品を実物と同じ間隔で配置し、隣接するミラー同士がぶつかり干渉した場合でも集光率の低下が問題とならないことを確認する。また、液体シンチレータの透過率を精密に測定する装置の開発を行い、検出器サイズでの絶対光量を評価する。さらに、液体シンチレータの再発光率も集光量を左右する重要なパラメータであり、より高輝度な光源としてレーザー励起光を用いた測定を行う予定である。測定で得られた集光率・発光量・透過長・再発光率のデータを基にして、シンチレーション光のフルシミュレーションを行い、検出器全体での集光量及び、二重ベータ崩壊探索によるニュートリノの有効質量に対する感度の評価を行う。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (12件) (うち招待講演 7件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Reactor on-off antineutrino measurement with KamLAND2013

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 88 ページ: 033001

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.88.033001

    • 査読あり
  • [学会発表] CeLAND実験:ステライルニュートリノ 探索における系統誤差の評価2014

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回 年次大会
    • 発表場所
      東海大学(平塚市)
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] KamLAND2-Zen実験用液体シンチレータ開発の現状2014

    • 著者名/発表者名
      大浦智也
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回 年次大会
    • 発表場所
      東海大学(平塚市)
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] KamLAND2-Zen用バッファオイルの研究2014

    • 著者名/発表者名
      蜂谷尊彦
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回 年次大会
    • 発表場所
      東海大学(平塚市)
    • 年月日
      20140327-20140330
  • [学会発表] KamLAND2-Zen実験用集光ミラー開発の現状2013

    • 著者名/発表者名
      立花創
    • 学会等名
      日本物理学会 2013年 秋季大会
    • 発表場所
      高知大学(高知市)
    • 年月日
      20130920-20130923
  • [学会発表] KamLAND2-Zen実験用大光量液体シンチレータ開発の現状2013

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      日本物理学会 2013年 秋季大会
    • 発表場所
      高知大学(高知市)
    • 年月日
      20130920-20130923
  • [学会発表] 2重ベータ崩壊探索実験

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      ニュートリノフロンティアの融合と進化
    • 発表場所
      東京大学(東京都)
    • 招待講演
  • [学会発表] 4世代ニュートリノ

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      極低バックグラウンド素粒子原子核研究懇談会
    • 発表場所
      富山商工会議所(富山市)
    • 招待講演
  • [学会発表] KamLAND2-Zen

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      公開シンポジウム「天文学・宇宙物理学中規模計画の展望」
    • 発表場所
      日本学術会議講堂(東京都)
    • 招待講演
  • [学会発表] KamLAND and Long Range Reactor Neutrino Sensitivities

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      The International Workshop on Non-Accelerator New Physics (NANPino-2013)
    • 発表場所
      Valday(ロシア)
    • 招待講演
  • [学会発表] Past and Present Experiments of Geo Neutrinos

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      13th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP 2013)
    • 発表場所
      Asilomar(米国)
    • 招待講演
  • [学会発表] CeLAND: KamLANDを用いた ステライルニュートリノ探索実験

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      「ニュートリノフロンティア」研究会
    • 発表場所
      クロス・ウェーブ府中(府中市)
    • 招待講演
  • [学会発表] Liquid Scintillator for Neutrinoless Double Beta Decay Search

    • 著者名/発表者名
      清水格
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回 年次大会
    • 発表場所
      東海大学(平塚市)
    • 招待講演
  • [備考] カムランド

    • URL

      http://www.awa.tohoku.ac.jp/kamland/

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公開日: 2015-05-28  

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