Development for ultra pure inorganic scintillator with Gadolinium for neutrinoless double beta decay searches

ニュートリノが、それ自身の反物質であるというマヨラナ性を持つかどうかは、現在の素粒子物理学に残された重要な未解明の問題の一つである。ニュートリノがマヨラナ性を持つなら、原子核がニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を起こすと予言されており、様々な原子核を用いたこの事象の探索が世界中で行われている。本研究では、スーパーカミオカンデ・ガドリニウムプロジェクトのために開発した超高純度ガドリニウム精製技術を応用し、ガドリニウムを含んだ高純度無機結晶シンチレーターを開発し、それを用いてガドリニウムの二重ベータ崩壊を探索する。先行研究では結晶中の放射性不純物由来の背景事象により感度が制限されていた。その主要な混入経路は原料であるガドリニウムの精製過程にあると考えられるため、高純度ガドリニウムを原料とすることで背景事象の大幅な低減が期待できる。本研究では高純度原料を使用することで、主要な放射性不純物の量を先行研究に比べて一桁程度低減させた結晶の精製技術を確立させ、ガドリニウムの二重ベータ崩壊を世界最高感度で探索することを目指している。2022年度は、高純度酸化ガドリニウムを用いて作成したGAGG結晶を用い、その光学性能や放射性不純物の含有量の評価を様々な方法で行った。特に、遅延同時計測によるBi214の定量にも成功した。その結果、結晶生成過程や研磨の過程で混入したと思われる放射性不純物が比較的多いことが分かり、今後は結晶作成手法の改善にも取り組んでゆく。これらの結果を、日本物理学会2023年春季大会で報告した。

ニュートリノが、それ自身の反物質であるというマヨラナ性を持つかどうかは、現在の素粒子物理学に残された重要な未解明の問題の一つである。ニュートリノがマヨラナ性を持つなら、原子核がニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を起こすと予言されており、様々な原子核を用いたこの事象の探索が世界中で行われている。本研究では、スーパーカミオカンデ・ガドリニウムプロジェクトのために開発した超高純度ガドリニウム精製技術を応用し、ガドリニウムを含んだ高純度無機結晶シンチレーターを開発し、それを用いてガドリニウムの二重ベータ崩壊を探索する。先行研究では結晶中の放射性不純物由来の背景事象により感度が制限されていた。その主要な混入経路は原料であるガドリニウムの精製過程にあると考えられるため、高純度ガドリニウムを原料とすることで背景事象の大幅な低減が期待できる。本研究では高純度原料を使用することで、主要な放射性不純物の量を先行研究に比べて一桁程度低減させた結晶の精製技術を確立させ、ガドリニウムの二重ベータ崩壊を世界最高感度で探索することを目指している。2022年度は、高純度酸化ガドリニウムを用いて作成したGAGG結晶を用い、その光学性能や放射性不純物の含有量の評価を様々な方法で行った。特に、遅延同時計測によるBi214の定量にも成功した。その結果、結晶生成過程や研磨の過程で混入したと思われる放射性不純物が比較的多いことが分かり、今後は結晶作成手法の改善にも取り組んでゆく。これらの結果を、日本物理学会2023年春季大会で報告した。