チェレンコフ光による位相幾何学情報を用いたTl－２０８背景事象の除去とその実証

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: ニュートリノで拓く素粒子と宇宙
• 研究課題/領域番号: 19H05093
• 研究機関: 宮城教育大学
• 研究代表者: 福田 善之 宮城教育大学, 教育学部, 教授 (40272520)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ニュートリノ / 二重ベータ崩壊 / チェレンコフ光 / 位相幾何学（トポロジー）

研究実績の概要

本研究では、Zr-96を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象を10の27乗年以上の半減期で観測するため、背景事象であるTl-208を95%除去するために使用するチェレンコフ光の位相幾何学情報を直接的に観測することを目的としている。まず、20mLのバイアルにZICOS実験用液体シンチレータの溶媒であるアニソールを充填し、６本の3/8インチ光電子増倍管H3164-12(上昇時間：0.8ns、TTS：0.5ns)を束ねて設置して、外部からSr-90の電子を入射させ、アニソール中の電子から発生するチェレンコフ光の観測を行った。入射電子の入射角を変化させると、対応する光電子増倍管の光量の変化を観測することができたことから、チェレンコフ光の感度を確認するとともに位相幾何学的な振る舞いを観測することができた。次に、電子が放出するシンチレーション光とチェレンコフ光を、信号の波形を用いて分別する手法を開発した。使用する3/8インチ光電子増倍管をZICOS実験用液体シンチレータを充填した20ｍLバイアルに8本接続し、Co-60、Cs-137、Ba-133、Co-57からのエネルギーの異なるガンマ線を入射させ、V1751デジタイザを用いてパルス波形を計測したところ、信号のピークの時間を60nsとしたときに57.5nsから58.5nsの時間帯に差異を観測することができたが、手法を開発するまでには至らなかった。次年度にパルス波形分別法の開発とともに、位相幾何学情報を観測するための特製検出器を制作し、特定のガンマ線を入射させて、100度後方にコンプトン散乱したガンマ線を検出することにより得られる単一方向・単一エネルギーの電子から放射するチェレンコフ光を観測し、位相幾何学情報である平均角を計測する計画である。

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

研究に使用する3/8インチ光電子増倍管H3164-12を用いてシンチレーション光内にチェレンコフ光の有無を判断するパルス波形分別法の開発は完了していないが、次年度に購入するV1742デジタイザを使用すれば0.2nsecの時間分解能で波形観測が可能であること、更に２インチの光電子増倍管H2431-50ではパルス波形分別法が完成していることから、H3164-12用のパルス波形分別法も開発できると考えているため。また、本年度に予定していたチェレンコフ光の観測と、位相幾何学の有効性を確認できたため。

今後の研究の推進方策

次年度は、26本の3/8インチ光電子増倍管H3164-12を配置した半球状フラスコ型検出器HUNI-ZICOSをを用いて、検出器内に液体シンチレータの溶媒であるアニソールを充填し、Sr-90のベータ線や、Y-88からの1.836/0.898MeVのガンマ線を入射させ、100度後方にコンプトン散乱したガンマ線を検出することにより得られる1.484/0.605MeVの単一方向・単一エネルギーの電子から放射するチェレンコフ光を観測し、位相幾何学情報である平均角を計測する計画である。

研究成果

• [雑誌論文] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki FUKUDA, Shigetaka MORIYAMA, Katsuki HIRAIDE, Izumi OGAWA,Takahiro GUNJI, Ryohei HAYAMI, Satoru TSUKADA, Shunsuke KUROSAWA
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 12139
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012139
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise pulse shape measurement of Cherenkov light using sub-MeV electrons from Sr-90/Y-90 beta source (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshiyuki FUKUDA, Shigetaka MORIYAMA, Katsuki HIRAIDE, Izumi OGAWA,Takahiro GUNJI, Ryohei HAYAMI, Satoru TSUKADA, Shunsuke KUROSAWA
  • 雑誌名: BULLETIN OF MIYAGI UNIVERSITY OF EDUCATION 巻: 54 ページ: 169-176
  • オープンアクセス
• [学会発表] ZICOS - Neutrinoless Double Beta Decay experiment using Zr-96 with an organic liquid scintillator - (2019)
  • 著者名/発表者名: Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • 学会等名: The European Physical Society Conference on High Energy Physics (EPS-HEP 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] ZICOS -ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象探索実験- (2019)
  • 著者名/発表者名: 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • 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」領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ZICOS EXPERIMENT FOR NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY SEARCH USING ZIRCONIUM-96 (2019)
  • 著者名/発表者名: Y.Fukuda , D.Anzai, Y.Kamei, K.Hiraide, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada , R.Hayami, S.Kurosawa
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP2019)
  • 国際学会
• [学会発表] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索XIV～ZICOS用液体シンチレータのエネルギー分解能測定～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 福田善之、安齊太亮、亀井雄斗、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、平出克樹、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平、黒澤俊介
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [備考] EPS-HEP2019で発表したポスター
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/poster-epshep2019-fukuda.pdf
• [備考] 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」領域研究会で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/ungd2019-fukuda.pdf
• [備考] TAUP2019で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/TAUP2019-fukuda.pdf
• [備考] 「日本物理学会 2019年秋季大会 で口頭発表したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/jps2019-fall.pdf