新型原子核乳剤による二重ベータ崩壊検出Detection of double beta decay with new nuclear emulsion

名古屋大　長縄直崇

現像前、現像後

An example of emulsion 　 (OPERA type) 　

44μm 　乳剤層

44μm 　乳剤層

プラスチックベース

構造（断面の電顕写真）

プラスチックベースの両面に写真乳剤を塗布。

片面

の乳

剤層

片面の乳剤層、拡大像　

200nm

乳剤層中に飛跡が３次元的に記録される。

　　AgBr・ I結晶の電顕写真

ゼラチン中に AgBr・ Iが分散している。

サブミクロンの位置分解能

20μm

A track of a MIP

Fog ： Chemical, Random grains

Grain Density (GD) ～ 35 / 100μm

Fog Density (FD)～ 3 / （ 10μm ） 3

Electron track mainly from 40KOPERA 型

~830±28 grains ／ 1 MeV E res.（ FWHM） ~7% ／√ E　MeV

グレインを数えることで電子のエネルギーを求める

Compton AlignmentSUTS

OPERAにてMeV電子飛跡を自動認識し利用してきた。

自動飛跡読取装置 2 枚の乾板隣接する乳剤層を繋ぐ

現像、高速自動読み取り、全面スキャン

人がグレインカウント又はAuto のアルゴリズム開発

厚型原子核乾板を線源とスタック一定期間保管

Source

数 100μm

Em

base

base

二重 β 崩壊検出実験の流れ

数 100μm

Em

~10μm

BG rejection

Beta from

Th U chain

Existence of α 　 tracks

Chance coincidence of Compton events or internal sources as 40K

Position Separation

γ

γ

γ

e-pair, knock-on Estimate from the emulsion event.

2ν2βMeasureenergyof electrons

Ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｔｈ　ｃｈａｉｎｓ　ｉｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｍｕｌｓｉｏｎ

　　 Isotope did not move more than several microns during the visible chain life of ~ 4days.

Chance coincidence 　↓

　　→　 OPERA 型で K （ 3×10-2 atomic% ） を 1 ／ 104 以下に。　　　　　

　　→　 Grain 間 gap ↓ （ GD↑ ）

source

E resolution ↑

Tracking efficiency ↑

GD 　↑

GD 　↑

Emulsion R&D and Production@Nagoya U

Double beta （ high GD 、 Low BG ）WIMPS search （ fine grain ）

2010 年 3 月に施設完成。FUJIFILM 　 OB と共に乳剤製造開始

4 月　機器調整5 月　乳剤作り開始。

8 月　最小電離粒子検出可能　　　な乾板できた。

そして 9 月・・・

Ag ＋ Br －

100μm

exposed to several hundred MeV electron

A track of an electron

OPERA film とほぼ同じ処方で遜色ない性能 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2010 年 9 月

100μ

m

Grain Density = 41.5±3.1 grains /100μm (OPERA~35 grains / 100 μm )Fog Density = 1.31±0.33 fog grains / (10μm)3

(OPERA~ 3 fog grains /(10μm)3)

A trac

k of a

n ele

ctron

ゼラチン+ 　湯

KBr+KI aqAgNO3 aq

AgBrI 結晶

攪拌

通常…低 K 化の試み　

KBr+KI aqAgNO3 aq

AgBrI 結晶

攪拌

NaBr+NaI

ゼラチン+ 　湯

全てのカリウム含有化合物もナトリウム化合物で置き換えた。

9 月　試作した Na 型を K 型と比較K , 型 Na型

0

10

20

30

40

50

60

10 15 20 25 30 35 40

Development Time [minutes]

OPE-204 Grain DensityOPE-204 Fog DensityOPE-207 Grain DensityOPE-207 Fog Density

Fog

Den

sity

[gr

ains

/100

0μm

3],

or

Gra

in D

ensi

ty [

grai

ns/1

00μ

m]

性能に差なし→ Na 型に切り替えOK

K 型 GD

Na 型 GD

Na 型 FDK 型 FD

高 GD 化　 2010 年 10 月仕込み

・高 GD 化のためにゼラチンの量をOPERA 乳　剤の約 1/4 にまで減らした（高銀化）。

・ Na 型。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

新乳剤（高銀・ Na 型）最小電離粒子飛跡

OPERA 型100μm

100μm

GD=80.4±4.5 （ 30 分現像）FD= 7.3±2.2

GD=34.8±0.6 　FD= 3.7±0.4

100μm

高銀化 Na 型　（現像時間 40 分） GD=102.3±5.2, FD=10.3±3.2

100μm

高銀化 Na 型　（現像時間 40 分） GD=102.3±5.2, FD=10.3±3.2

1700 grains / 1 MeVE res.→~5%/√E [MeV](FWHM)

Grain gap Ave. 1μm

Chance coincidence 1/10

FD上がっても Tracking ↑

100μm

OPERA

FD=3/ （ 10μm ） 3

Ave 6.9μm

Ave 3μm

GD= 　 30/100μm

×2.3Fog を飛跡の一部の認識し得る。

OPERA の場合

GD100 の乳剤

FD=10/ （ 10μm ） 3

Ave 4.6μm

3 乗根 1 乗

Ave 1μm

GD=100/100μm

×4.6

(10μm)3

混同の恐れは低い。直近のグレインを繋げるだけで本物の飛跡を作れる。

一次元方向のグレイン間距離と Tracking のしやすさ

エネルギー分解能測定のために、

現在　最適な塗布（はがれない）、現像条件（深さ方向に一様）を調べている

エネルギー分解能測定

二重ベータ線源を決定する

Scanning Load

~50cm ~1m ~2 m

Source Mass ~10kg ~ 100kg ~ 1000kg

Scanning Area ~100m2 ~1000m2 ~10000m2

SUTS ×5 systems 　 300days (3000days) (30000days)

Current speed×100 　 20days 200days 2000days 　　　

•Area 1000 - 10000 m2

・ Possible with next generation read

out system.

Resolution ~420nmN.A.　＝ 0.65F.O.V. 5.1 (H) 5.1 (V)mm

X 軸：高速ステップ反転同期駆

動10cm/s

Y 軸：通常駆動

フィルム交換 照明光学系位置微調整

上下退避駆動

定盤１ｍｘ２ｍ

対物レンズの上下駆動機構

超高速顕微鏡ステージの構想図　　縦 1m 、横 2m 、高さ 1.5m 、重さ1.4 トン

100 倍速　マシン　現在土台部分から構築中

線源箔を原子核乾板に挟み放置、自動飛跡読み取り後、グレインカウントで電子のエネルギーを求める実験を計画中。

名古屋大学にて乳剤開発プロジェクトが始まった。

K化合物を Na化合物で置換しても問題ないことが分かった。

実際に 40K量の微量測定を行う予定。

Na型を高銀化し、 GD～ 100を達成した。（長期安定性は要試験）

これにより、エネルギー分解能をグレイン数より見積もるとFWHM ~ 5%／√ E　 [MeV]。

現在エネルギー分解能の実測のための塗布、現像条件出し中。

エネルギー分解能を実測した後、二重 β線源を決定する。

構築中の 100倍速マシンで線源量が tonの実験もスキャン可能。

まとめと展望