次世代ニュートリノレス二重ベータ崩壊探索実験のための熱量蛍光検出器の開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26287045
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 吉田 斉 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60400230)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 二重ベータ崩壊 / ニュートリノ質量 / マヨラナニュートリノ / ボロメーター / シンチレーション検出器 / フッ化カルシウム結晶

研究実績の概要

ニュートリノレス二重ベータ(以下、0νββ)崩壊の観測は、ニュートリノ質量の絶対値を測定する極めて有効な手法である。また、0νββ崩壊の発見は、ニュートリノのマヨラナ性の直接的な証明になり、ニュートリノの微小質量を自然に説明するシーソー機構を強く支持する。
本研究計画では、二重ベータ崩壊核の中で最もQ値が大きい、48Ca同位体を含む不活性フッ化カルシウムシンチレーション検出器を、10mK以下という極低温に冷却し、熱量検出器として利用することで、0νββ崩壊観測に大変重要な高エネルギー分解能検出器を開発する。熱量に加えてシンチレーション光を同時検出し、両者の信号強度を比較して、事象の粒子弁別を行う方法を確立する。その結果としてバックグラウンドを徹底的に排除し、バックグラウンドフリー観測の実現可能性を立証して、ニュートリノ質量の絶対値測定に対して数meV以下の領域を探索できる手法を開発する。
研究開発のスピードを上げるため、韓国標準科学院との共同研究を行い、新しい超電導センサー（MMC）とCaF2(Pure)結晶を組み合わせたシステムを採用し、優れたエネルギー分解能を目指し測定が行われた。不活性フッ化カルシウム結晶から発生した蛍光の一部が、蛍光波長が短いために熱量検出器に吸収・検出され、その確率的な揺らぎのため、エネルギー分解能が悪化していることを突きとめた。開発競争の激しい本分野において、発光波長特性によっては、同様のことが起こる場合が想定され、この研究で得られた知見が、広く検出器性能の理解に用いられることになると思われる。
研究期間内に目標としていた、不活性フッ化カルシウム結晶を用いた蛍光熱量検出器の実現に世界で初めて成功した。この成果は将来的な48Ca同位体を用いた高感度、大規模ニュートリノ欠損二重ベータ崩壊研究への重要な一歩であり、近く投稿論文として成果をまとめる。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

29年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] 韓国標準科学院/Institute for Basic Science (IBS研究所）(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: 韓国標準科学院/Institute for Basic Science (IBS研究所）
• [雑誌論文] Performance of updated shielding system in CANDLES (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Nakajima, （途中省略）, S.Umehara, W.Wang, S.Yoshida and N.Yotsunaga （著者41名）
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1921 ページ: 060003
  • DOI: 10.1063/1.5018999
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of CANDLES low background HPGe detector and half-life measurement of 180Tam (2018)
  • 著者名/発表者名: W.M. Chan, T. Kishimoto, S. Umehara, K. Matsuoka, K. Suzuki, S. Yoshida, K. Nakajima, T. Iida, K. Fushimi, M. Nomachi, I. Ogawa, Y. Tamagawa, R. Hazama, Y. Takemoto, N. Nakatani, Y. Takihira, M. Tozawa, H. Kakubata, V.T.T. Trang, T. Ohata, K. Tetsuno, T. Maeda, B.T. Khai, X.L. Li and T. Batpurev
  • 雑誌名: AIP Conf. Proc. 巻: 1921 ページ: 030004
  • DOI: 10.1063/1.5018991
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Background studies of high energy γ rays from ( n,γ ) reactions in the CANDLES experiment (2018)
  • 著者名/発表者名: K.Nakajima, T.Iida, （途中省略）, S. Yoshida, N. Yotsunaga （著者41名）
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 100 ページ: 54～60
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2018.02.012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Search For Neutrino-less Double Beta Decay Of 48Ca- Candles - (2017)
  • 著者名/発表者名: Saori Umehara, T. Kishimoto, M. Nomachi, S. Ajimura, T. Iida, Y. Takemoto, K. Matsuoka, V.T.T. Trang, S. Yoshida 他40名
  • 雑誌名: The Proceedings of The 26th International Nuclear Physics Conference(INPC2016) 巻: PoS INPC2016 ページ: 246
  • DOI: 10.22323/1.281.0246
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] CANDLES による二重ベータ崩壊の研究(127) 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 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鉄野高之助
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] シンチレーティングボロメーター開発現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鉄野高之助
  • 学会等名: SMART2017：Scintillator for Medical, Astroparticle and environmental Radiation Technologies
  • 招待講演
• [学会発表] ニュートリノレス二重ベータ崩壊探索実験の現状と展望 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田斉
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] 新学術領域・地下素粒子原子核研究の現状 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田斉
  • 学会等名: X 線天体と元素合成を中心とする宇宙核物理研究
  • 招待講演
• [学会発表] 蛍光熱量計実験開発（CaF2) (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田斉
  • 学会等名: 2017 年宇宙線研究者会議将来計画タウンミーティン
• [学会発表] ニュートリノレス二重ベータ崩壊探索実験の将来 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田斉
  • 学会等名: 「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ニュートリノレス二重ベータ崩壊探索と暗黒物質探索のための熱量蛍光 検出器の開発(poster) (2017)
  • 著者名/発表者名: 李暁龍
  • 学会等名: 「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」研究会
• [備考] CANDLES Webpage
  • URL: http://www.rcnp.osaka-u.ac.jp/~candles/index.html