GR-250N - TADANO · 過負荷防止装置（aml）、旋回自動停止装置、起伏緩停止装置、 巻過防止装置、作業領域制御装置、アウトリガ張出幅検出装置、
SK-Gdの現状と展望 - 極低バックグラウンド素粒子...
44
SK-Gdの現状と展望 2016年1月7日 池田一得 第二回超新星ニュートリノ研究会＠富山商工会議所 1
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SK-Gdの現状と展望2016年1月7日
池田一得
第二回超新星ニュートリノ研究会＠富山商工会議所
1
もくじ
• イントロ
• SK-Gdの現状• EGADS ：SK-Gｄプロトタイプ実験の結果
• SK改修の準備
• SK-GdのSRN探索の展望• 予想されるバックグラウンド
• 放射性不純物の除去
• SRN信号の感度
• まとめ
2
3
Super-Kamiokande
32kton fiducial volume for SN
20’ PMT photocathode
(inner) coverage
SK-1 11,146 40%
SK-2 5,182 19%
SK-3 11,129 40%
SK-4 same as SK-3
with new electronics ✓反跳電子のエネルギー閾値：3.5MeV
✓ Inverse Bete Decay (IBD)
ν ̄̄e + p n + e+
が主な反応✓電子散乱反応から、方向がわかる。
charged
particle θ
50kton 水チェレンコフ検出器
Supernova Relic Neutrino (SRN)超新星背景ニュートリノ
Beginning of the universe
NOW
１billion years ago
10 billion years ago
S.Ando, Astrophys.J. 607, 20(2004)
Theoretical flux prediction : 0.3~1.5 /cm2/s (17.3MeV threshold) 4
Neutrinos from past SNe
1010 stellar/galaxy ×1010 galaxy ×0.3%(become SNe) ~O(1017)SNe
Supernova Relic Neutrino (SRN)超新星背景ニュートリノ
Beginning of the universe
NOW
１billion years ago
10 billion years ago
S.Ando, Astrophys.J. 607, 20(2004)
Theoretical flux prediction : 0.3~1.5 /cm2/s (17.3MeV threshold) 5
Neutrinos from past SNe
1010 stellar/galaxy ×1010 galaxy ×0.3%(become SNe) ~O(1017)SNe
SRNの発見はNeutrino astronomy から
Neutrino cosmologyへの第一歩！？
SRN探索 at Super-K
Search window for SRN at SK : From ~10MeV to ~30MeV
理論予想に迫るリミット。しかしBGドミナントの解析で、改良が必要。 6
SRN探索＠SK現在のベストリミットはSK（中性子タグ無し）サイドバンドサンプルよりBG量に制限をかけている。
Only this signal
720-38 degrees 38-50 degrees 78-90 degrees
SRNリミット vs. エネルギー
8
SK4: 陽子による中性子捕獲遅延同時計測
陽電子信号のみ
BG削減＋低エネルギー閾値
γ
p
n
Gd
e+
8 MeV
ΔT~30μsVertices within 50cm
ne
Cap
ture
s o
n G
d
Gd in Water
0.0001% 0.001% 0.01% 0.1% 1%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
9
0.01% Gd ：~50%capture efficiency=Gd2(SO4)3 10t
SK-Gd計画 Beacom and Vagins PRL93,171101 (2004)
• Gdは熱中性子捕獲断面積が
桁違いに大きい(48.89kb)
• 中性子捕獲後3-4 gを放出
全エネルギーで 8 MeV
• 遅延同時計測で ν̄eをタグ
• 他の物理解析にもご利益あり
0.1% Gd ：~90%capture efficiency=Gd2(SO4)3 100t
超新星爆発が我々の銀河で起きた場合超新星の方向決定精度を向上
neの同定なし neを８０％の効率で同定
反電子ニュートリノ(ne)を同定できれば、方向性を持った電子散乱事象(n+e散乱)をより選択しやすくなり、超新星の方向決定精度が良くなる。具体的には10kpcの距離の場合、4~5° ~3°(90%C.L.)に改善できる。 10
(10kpcの距離での超新星爆発のシミュレーション）
ne+p反応
n+e散乱
10
Improvement for Proton decay
11
Neutron multiplicity for
Pe+p0 MC
92.5%
Zero n
Atmospheric n BG
Accompany
many n
If one proton decay event is observed at Super-K after 10 yearsCurrent background level: 0.58 events/10 yearsBackground with neutron anti-tag: 0.098 events/10 years
Background probability will be decreased from 44%(w/o n) to 9%(w/ n).
SK-Gdの歴史2002 11月 SKコラボ会議
Gd導入計画の議論が始まる2006 5月 Gd アドバイス委員が作られる.
そこでR&Dアイテムをリストアップ2007 11月 SKコラボ会議
テスト実験で実現可能性を
確認することをが決まる2009 EGADS 開始
200 ton テストタンクの建設2013 0.2% Gd2(SO4)3
PMTインストール前のEGADS
2013 240本のPMT をEGADSに取り付け
2014 10月 – 2015 5月 0.2% Gd2(SO4)3
透過率測定、中性子捕獲率測定
2015 6月 SKコラボ会議
計画が承認される。12
EGADS hall 2009
EGADS 2013
EGADS 2014
Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems
200 m3タンク（ 240本のPMTを使用）
15m3タンク：Gdを溶かすタンク
Gd水純化システム
透過率測定装置(UDEAL)
13
EGADS
PMT,PMTカバー、SUSのフレーム、ブラックシート等SKで使われている具材とGd水との相性を確認するために、SKと同じ物を使用。
実際のSKに近い状況で透過率等の測定を行った。
14
EGADSタンクの内側
EGADSでの中性子捕獲率測定
γ
n
Gd
EGADS tank
15
ガドリの中性子捕獲信号＠EGADSプロンプト信号とディレイド信号との時間差（4.4MeVγとGd中性子捕獲γとの時間差）
ディレイド信号のN50分布（主にGd中性子捕獲γのエネルギー）
マイクロ秒 50n秒幅のピークのヒット数平均中性子捕獲時間［μsec］
Gdの中性子捕獲効率＠0.2％硫酸ガドリ水：84.36% ± 1.79% 予想値84.51%
16
17
15m の透過率（チェレンコフ光） ~75% ＠0.2% Gd2(SO
4)3
SK４の純水と比べると~92% ：吸収と散乱込
Gd水の透過率byUDEAL (PMT導入後)
レイリー散乱の測定
0.1% と 0.2% のGd2(SO4)3 水を比較。(β0.2%/β0.1%) を波長 337nm, 375nm, 405nm に対して測定。
全減衰係数 : α (UDEAL)α＝β＋γ β：散乱, γ:吸収βとγのそれぞれを測定する必要がある。
337nm,0.2%
By Akutsu, et al.
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wavelength [nm]
β0
.2%
/β0
.1%
仮定:Δα=Δβ (全部が散乱)Δβ:Δγ = 2:8 Δβ:Δγ =1:9Δα=Δγ (全部が吸収)
点線: 異なるレイリー散乱の割合を仮定した0.2%と0.1%の散乱強度の比
結果は、Gd2(SO4)3による影響は散乱 : 吸収 = ~10% : ~90%.
Error : stat + sys
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0.1% と 0.2% Gd2(SO4)3 水の比較から求めたレイリー散乱強度
物理への影響 (solar ν, SRN)
位置分解能 エネルギー分解能
SK４のパフォーマンスと比較して問題なし
Note that plots are 0 suppressed
20
前ページの結果（散乱 : 吸収 = ~10% : ~90%)をもとに評価
true(MeV/c)
pure tune2015
250 1.7±0.2 1.9±0.2
500 4.7±0.3 6.1±0.4
1000 15.8±0.7 16.7±0.7
他の物理に対する影響： e/p0 separation
e MC p0 MC
fiTQun p0 mass (MeV/c2)
fiTQ
un
Lp0/L
epuretune2015
(ex. 500MeV/c)
true(MeV/c)
pure tune2015
250 92.9±2.1 91.9±2.1
500 89.3±2.0 88.4±2.0
1000 75.7±1.8 77.7±1.8
e MC, det. e(%) p0 MC, remain e(%)
21
他の物理に対する影響： 運動量分解能(FCFV, 1R, e/mu-like, 0/1 decay-e)
e MCex.) 250MeV/c
true(MeV/c)
RMS/Mean
pureRMS/Mean
tune2015
250 0.061 0.063
500 0.049 0.049
1000 0.037 0.038
MeV/c
Eve
nts
(n
orm
. to
1) pure
tune2015
m MCex.) 250MeV/c
puretune2015
true(MeV/c)
RMS/Mean
pureRMS/Mean
tune2015
250 0.025 0.026
500 0.025 0.025
1000 0.023 0.025
MeV/c
Eve
nts
(n
orm
. to
1)
22
他の物理に対する影響： PID(e/m分別能力)(FCFV, 1R)
likelihood
Eve
nts
(n
orm
. to
1)
true(MeV/c)
m MC, mis.-PID (%)pure
m MC, mis.-PID (%)tune2015
250 1.20±0.17 2.02±0.28
500 0.59±0.12 1.00±0.15
1000 0.80±0.14 1.43±0.19
pure
tune2015
ex.) 250MeV/c
ex.) 250MeV/c
e MC
e MC
m MC
m MC
Cut for tune2015:mis.-PID between pure & tune2015 are consistent for e MC
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SKの水漏れ日付 斜坑の水を
抜いた場合斜坑に水を満たした場合
2003年7-9月(SK再建前)
7.6 ton/day 2.7 ton/day
2006年7月(SK再建直後)
3.3 ton/day
2007年4月 3.5 ton/day
2009年7月 2.2 ton/day
2013年8月 0.06 ton/day
2013年10月 2.0 ton/day
2013年11月 0.19 ton/day
2014年5-11月 ~0.20 ton/day
•現在、0.2% Gd2(SO4)3を溶かした場合、SKサイト出口でのGd濃度は~30ppb
(Hgの排水基準：5ppb)
24
Confidential
SUS SUS
こうしたタンク内部の溶接部に止水材を以下のようにして塗布する。
BIO-SEAL 197（Thin Film Technology社製）を塗布。ピンホール的な穴に浸透。
伸縮性に富む止水材料で覆う。
タンク内部の写真
準備状況： ＳＫタンク水漏れ補修方法の検討
補修方法案
25
強度試験、Rn放出量、浸出試験などにより候補を選択中
25
水循環装置等設置場所水循環装置、溶解装置を設置するための空洞掘削を２０１５年５－９月にかけて掘削。
装置設置場所
スーパーカミオカンデ
266月19日
50m
7.2
5m
8.1m
第３純水装置室 (Gd水循環装置等を置く場所）の掘削
26
第３純水装置室 （Lab-G） (Gd水循環装置等を置く場所）
2015年9月10日掘削、床コンクリート打設直後
2015年12月16日撮影マインガード吹付後
現在、電気設備の設置を行っており、それが終了し次第、溶解装置、前処理装置を２０１６年に設置する。
27
28
SKグループでの承認On June 27, 2015, the Super-Kamiokande collaboration
approved the SuperK-Gd project.
The actual schedule of the project including refurbishment of the tank and Gd-loading time will be determined taking into account the T2K schedule.
201X 201X+1 201X+2 201X+3 201X+4
観測
観測～ ～
～ ～T0 = 水漏れ補修(~3.5か月)
T1 = 10 トンの Gd2(SO4)3 を溶解
0.02%濃度に相当
T2 = 100 トンの Gd2(SO4)3 を溶解
0.2%濃度に相当
給水(2か月)
純水循環
水の安定化preliminary
SK-GdのSRN探索の展望
バックグラウンド• 大気ニュートリノ
• 宇宙線起源9Li
• 原子炉ニュートリノ
• 放射性不純物とその除去
SRN観測の感度
（中里さんのポスターもあります）
29
大気ν荷電カレント反応
Inv.μからの崩壊電子と中性子
（反）νe CCと中性子
μ(or π生成)と中性子
νee
νμ μ eT < 50 MeV
“invisible muon”
νμ μ
n
n
n
• ν反応で陽子が放出され、その陽子の二次反応によて放出される中性子もある
ν反応シミュレーション（NEUT）による計算
Gd tagged neutron multiplicity
0.5GeV~0.7GeV(反)νe反応
30
大気ν中性カレント
NC脱励起γと中性子
νxνx
16Oの脱励起γ
中性子
Gd γs
T２K NC脱励起γ事象に伴ったHによる中性子捕獲γ（2.2MeV）観測数
T2K ビームを使った測定（Hによるn捕獲）
T2K Preliminary
ガドリニウムの場合、１中性子事象のみを選ぶようにすると2/3~1/3 になる。31
Confidential
大気ν中性カレントプロンプト信号のエネルギー分布T2KビームのNC＋中性子Like事象のなかから１陽電子事象らしいチェレンコフ角を持つ事象を選ぶカットありとなしのエネルギー分布
MeV統計が全然足りない！ 32
Confidencial
大気ν起源BGのエネルギースペクトル下記の条件でBGを見積もる（）の数字は現行解析のBGとの比較
nm CC ：１中性子0励起γ（1/4） ne CC：１中性子（2/3） NC：１中性子(1/3～2/3)
実際は中性子の再構成位置などの情報を使う等してより落とせると期待できる。
33
原子炉ニュートリノ
原子炉ニュートリノスペクトルは10MeVより高いエネルギーでシャープに落ちる。10MeV < の領域で、日本のすべての原子炉が稼働したとしても、数事象/年/22.5kton。
現在の原子炉ニュートリノフラックス～１/10になっているので、~0.2事象/年/22.5kton。
34
宇宙線核破砕バックグラウンド
• β,nを放出する、核破砕核子は8He,9Li,11Li。• 8He ：寿命0.17sec, βエネルギー～10MeV
• 9Li ：寿命0.26sec, βエネルギー～10MeV
• 11Li ：寿命0.17sec, βエネルギー～16MeV
• このうち、8Heの生成率は9Liの1/3程度、 11Li は短寿命なので効率良くカットできる。
• 9LiはSKでの測定値がPRDよりpublish予定。• arXiv:1509.08168v2
35
9Li測定＠SK arXiv:1509.08168v2
SK4 1890days のデータから9Liからのβ,n（Hによるn捕獲2.2MeVγ）を探索。
10MeV~30MeV の領域で、予想されるLi9によるBG数は0.5±0.1（stat）±0.2(sys) 事象/年/22.5kton
μとβの時間差
0.23±0.02s
36
Gd2(SO4)3の放射性不純物
• スペインのCanfrancで測定。
ChainMain sub-chain
isotope
Radioactive concentration
(mBq/kg)
238U238U 50
226Ra 5
232Th228Ra 10
228Th 100
235U235U 32
227Ac/ 227Th 300
この結果をもとに低エネルギー事象解析への影響を見積もるby Pablo @ マドリード大学 37
• 主な放射性不純物起源のBG
超新星背景ニュートリノ
• SRN事象 ~5 events/year/FV • prompt signal (e+): 10 - 20 MeV• delayed signal from neutron capture
γと中性子が出る 238Uの自発核分裂
• 50 mBq/kg あると
• 5·10-7 SF/decay
• ：SFs with Eg>10 MeV
• 28% of SFs with only 1 neutron
~ 5.5 [ g(Eg>10.5 MeV) + 1n ] / year / FV
Uを一桁以上落とす必要g,bのaccidental coincidenceもあるけど、無視できる
予想されるスペクトル
By Pablo @マドリード大38
5MeV程度以下で太陽ニュートリノfinal sampleの約１０００倍近いバックグラウンドになる。
市販されているGd中のTh,Ra BG市販されているGd中の238U BG（~55 events/10years）
238Uの自発核分裂がガンマ線と中性子を伴うバックグラウンドになる。
8MeV,6MeV,4MeV,1987A
SRN Tν
SK-Gｄにたいする放射性バックグラウンドの見積もり
SRNに対するBG
AJ4400樹脂により除去(樹脂性能は確認済み)。
太陽ニュートリノ解析に対するBG
Ra除去に対しては可能性のある樹脂を試験中。Thについては業者と相談を始めた。 39
C01での取り組み
• Gd水溶液中のラジウム除去樹脂の評価• Gdが溶けているのでICP-MS等でRaの定量ができない• 222Rnの湧き出しを測定して226Raの量を見積もる
•純水中の“極低レベル”Rn濃度測定法はSKで確率されている。 D班との協力
• トリウム除去：• きれいなGd粉末を作るのを業者に相談中• Gd水からThを除去する方法を模索中
原理的に、Gd水溶液でも使えるはず（？）だが、未知の領域。
40
カチオン(陽イオン)交換樹脂によるRa除去（取組中）• Ra吸着樹脂というのは市販されている
• Ex) DOWEX Radium Selective Complexer (RSC) Na型
• RaはGdと同じく陽イオンであるというのが問題で、そのままではGdも取り除かれる• ベースイオンを交換した
樹脂を作成し試験
• 当然、Gdに置換したもの
がよいはず秘密情報
Confidential
From関谷
41
現在の進捗状況（伊藤君のポスター）
試験する樹脂
気液混合機
ラドン計
1㎥タンク
純水を使った試験測定・バックラウンド測定が進行中42
43
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Position Energy (MeV)
SRN flux の計算は、Horiuchi, Beacom and Dwek, PRD, 79, 083013 (2009)
バックグラウンド（BG）の仮定既存のBGと比べて中性子タグすることによって、 nm CC BGは,1/4 ne CC BGは,2/3 NC elastic BGは、1/3 （中性子数が１であることを要求）
9LiとUのBGは小さい
モデル 10-16MeV(evts/10yrs)
16-28MeV(evts/10yrs)
Total(10-28MeV)
有意度(2 energy bin)
HBD 8MeV 11.3 19.9 31.2 5.3 s
HBD 6MeV 11.3 13.5 24.8 4.3 s
HBD 4MeV 7.7 4.8 12.5 2.5 s
HBD SN1987a 5.1 6.8 11.9 2.1 s
BG 10 24 34 ----
期待されるSRN信号の有意度preliminary
まとめ
• SRNの発見はNeutrino cosmologyへの第一歩！
• SK-Gdの現状• EGADS ：SK-Gｄプロトタイプ実験の結果
• Gdの信号、透過率は問題ない。
• SKで承認され、SK改修を鋭意準備中
• SK-GdのSRN探索の展望• 予想されるバックグラウンドを見積もりを紹介
• NCが鍵
• 放射性不純物の除去
• SRN信号の感度：10 年で2～5σの有意性
44
