大型液体シンチレータ検出器によるニュートリノのマヨラナ性の検証

近年の研究成果からニュートリノの性質が解明されつつあるが、その質量の絶対値やマヨラナ性の有無といった性質は未解明のままである。ニュートリノのマヨラナ性に関しては、未発見な稀少事象であるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊(0nbb)の探索が現実的な唯一の手法となっている。本研究では、大型液体シンチレータ検出器 KamLANDを用いて、キセノン136の0nbb事象を探索するKamLAND-Zen 800 実験を進める。神岡地下の極低放射能環境下で行う本実験であるが、いまだに発見されない稀少事象の観測を実現するためには、さらなるバックグラウンドの理解・低減が重要となる。当該年度では、実験装置の低放射能化では原理的に除くことができない宇宙線ミューオン由来のバックグラウンドに注目し、そのバックグラウンド事象を解析により除去する手法の開発を進めた。宇宙線ミューオンは0.3 Hz程度でKamLAND内に入射し、液体シンチレータの主成分である炭素原子やキセノン原子の原子核を破砕して不安定核を生成することが分かっている。まず、炭素原子との核破砕反応により生成される半減期が最大 30秒程度と比較的短い不安定核種によるバックグラウンド事象の除去開発を行った。ミューオン、中性子捕獲事象と不安定核種の崩壊事象の 3点同時遅延計測と中性子捕獲事象が観測されなかった事象に対して核破砕に伴うシャワリング現象を利用した尤度関数による最尤法とを組み合わせて、99.3%の除去効率を達成した。一方、キセノン原子核との核破砕反応により生成される不安定核種は数日スケールの長寿命で、数百核種に及ぶ種類がある。キセノン原子核破砕では中性子数が多く放出されるということに着目し、中性子数や空間相関をパラメータとした最尤法にて40.1%の除去効率を確認した。KamLAND-Zen 800 実験は世界最高感度で遂行中である。

近年の研究成果からニュートリノの性質が解明されつつあるが、その質量の絶対値やマヨラナ性の有無といった性質は未解明のままである。ニュートリノのマヨラナ性に関しては、未発見な稀少事象であるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊(0nbb)の探索が現実的な唯一の手法となっている。本研究では、大型液体シンチレータ検出器 KamLANDを用いて、キセノン136の0nbb事象を探索するKamLAND-Zen 800 実験を進める。神岡地下の極低放射能環境下で行う本実験であるが、いまだに発見されない稀少事象の観測を実現するためには、さらなるバックグラウンドの理解・低減が重要となる。当該年度では、実験装置の低放射能化では原理的に除くことができない宇宙線ミューオン由来のバックグラウンドに注目し、そのバックグラウンド事象を解析により除去する手法の開発を進めた。宇宙線ミューオンは0.3 Hz程度でKamLAND内に入射し、液体シンチレータの主成分である炭素原子やキセノン原子の原子核を破砕して不安定核を生成することが分かっている。まず、炭素原子との核破砕反応により生成される半減期が最大 30秒程度と比較的短い不安定核種によるバックグラウンド事象の除去開発を行った。ミューオン、中性子捕獲事象と不安定核種の崩壊事象の 3点同時遅延計測と中性子捕獲事象が観測されなかった事象に対して核破砕に伴うシャワリング現象を利用した尤度関数による最尤法とを組み合わせて、99.3%の除去効率を達成した。一方、キセノン原子核との核破砕反応により生成される不安定核種は数日スケールの長寿命で、数百核種に及ぶ種類がある。キセノン原子核破砕では中性子数が多く放出されるということに着目し、中性子数や空間相関をパラメータとした最尤法にて40.1%の除去効率を確認した。KamLAND-Zen 800 実験は世界最高感度で遂行中である。