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Super-Kamiokande Gadolinium R&D project
Gd添加水チェレンコフ検出器EGADSの現状
日本物理学会第69回年次大会
2014/09/18
佐賀大学
森 俊彰（岡山大理）
for the Super-Kamiokande Collaboration
Contents
1. EGADS実験全体の現状と予定
2. Gd gデータの解析の現状
イントロ
GADZOOKS!でのSRN探索
GADZOOKS!計画
(PRL93,171101 (2004))
• 世界初の超新星背景ニュートリノ
(SRN)検出を目指す
neutron
proton
ne
Gd
SRN:過去の超新星爆発からのニュートリノ
• IBD(ne+p→e++n)反応によって生成さ
れた中性子をGdで捕獲し放出されるガ
ンマ線を遅延同時計測する
g
e+
200 m3 検出器
EGADS実験
• GADZOOKS!計画の実証実験
– Gd添加水の透過率測定
– 中性子の検出効率測定
– etc
透過率測定装置
Pre-treatmentシステム
水循環システム
3
EGADS実験の進捗状況
• 前回の学会まで
•
200m3 検出器にPMT設置後、純水循環期間中に検出器の較正を行った

HV値の決定、ゲイン測定、量子効率の測定、時間較正
• 前回の学会以後
•
純水においても0.023% Gd2(SO4)3溶液においても予測以上の透過率が低下
 PMT設置以前のGd添加水循環とは異なる測定結果
•
タンク内調査によりブラックシート固定用のワイヤーに錆を発見
 この材料は亜鉛メッキした鉄のワイヤーだと後に判明
（業者からはSUSとして購入）
 SK検出器内部には使用されてない部材
•
ワイヤーを取り除き、検出器内の洗浄を行っている（７−９月）
EGADS実験の現在・予定
• 現在の作業の様子
• 9月中に取替・洗浄作業を完了し、純水の循環を開始する
• 数ヶ月間の純水循環で透過率の監視を行う
• 透過率に問題がなければGdを添加しEGADS実験の総合的な評価を行う
Gd g データ解析
•
一時的ながら、Gd2(SO4)3・8H2O (0.023%濃度)溶液で取得した
データを解析を紹介する
•
Gd g線スペクトラムの測定
•
中性子線源を用いたGd gの検出効率の測定
中性子線源を用いたGd g測定
中性子
Am/Be
241Am
Gd
4.4 MeV g
9Be
→ 237Np + a
+ a→ 12C + g(4.4MeV)+ n
g
BGO
シンチレーション光
後発
信号
閾値
先発
信号
閾値
Gd g
シンチレーション光
後発信号探索ゲート：500msec
BGOをブラックシートで覆い
光量を調節している
Gd濃度
Gd2(SO4)3 + x ・ H2O 濃度 [ppm]
300
25/Mar
275
タンク内でのサンプル箇所
250
Top
225
Centre
200
Bottom
175
150
125
100
75
50
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
25
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
01/Apr
08/Apr
0
15/Apr
22/Apr
29/Apr
06/May
Events / # of prompt trg.
DT [msec]
Fittingの精度1
Events / # of prompt trg.
Am/Be後発信号解析
R2 = dx2 + dy2+dz2 [cm2]
Fittingの精度2
Am/Be後発信号エネルギー分布
Reconstructed Energy
Events / # of prompt trg.
MC : Geant4.9.6 + G4NDL4.2
Total electron Energy [MeV]
Likelihoodを用いたGd gの検出効率測定
• ROOT-TMVA program
– 変数のFit、Likelihood関数を計算する
• p(xk(i))は変数xのPDF
• IBD反応における中性子捕獲Gd gの検出効率を見積もるため、以下の条件で
Likelihoodを作成
Signal ：Gd g(MC)
Background ：バックグラウンドRUNの後発信号
• 生成したLikelihoodでAm/Beデータを解析し、Gd g成分の検出効率を見積もる
Input variable
• Pre-event cut before likelihood
Signal ：Gd g(MC)
Background ：バックグラウンドRUNの後発信号
エネルギー
事象発生点の
再構成位置
Fitting
の精度1
先発信号と
の時間差
 DT < 400 msec
– 再構成位置
– Fitting精度カット
Fitting
の精度2
事象の
等方性
Gd g信号検出効率
 Gd2(SO4)3・8H2O 0.023% での検出効率
の見積もり
 GADZOOKS!での目標はGd2(SO4)3 0.2%
Significance = Sig/(Sig+Bkg)1/2
が最大となる0.49でカットをかけた場合
Gd濃度を高くすることで改善可(e.g. DTカット)
Likelihood Eff. [%]
Pre-cut Eff. [%]
Detect Eff. [%]
Gd g (Data)
94.8
80.1
75.9
Gd g (MC)
96.3
80.1
77.1
バックグラウンド
3.3
9.0
0.278
(Am/Be data)ー（BGデータ+MC(2.2 MeV、線源BG))
まとめ
• 世界初のSRN検出を目指し、Gd添加水チェレンコフ検出の実証実験EGADSを
行っている
• 今月中に検出器内の部材取替・洗浄が終了し、純水の循環を再開する
• Gd導入後、正確なGd添加水の透過率の測定を行う
• EGADS検出器でAm/Be線源を用いたGd gの測定を行った
– 今後、MCの調整・BGの混入率の正確な評価後、検出効率・誤差を見積もる
バックアップ
Gd capture efficiency
Capture on gadolinium [%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
0
0.02
Gadolinium sulfate concentration [%]
0.2
線源からのバックグラウンド
後発信号探索ゲート
Gd g
シンチレーション光
4.4MeV gに
付随するGd g
BG1
4.4 MeV g
BG2
シンチレーション光に付随
するGd g
シンチレーション光
(Am/Be data)ー（BGデータ+MC(2.2 MeV、線源BG))
Efficiency[%]
Gd gの検出効率
SRN spectrum
SRN predictions
(ne fluxes)
SRN flux from Horiuchi et al. PRD, 79, 083013 (2009)
SRN spectrum
S.Ando, Astrophys.J.607:20-31,2004.
400 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  88% on Gd
274 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  83% on Gd
149.4 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  73% on Gd
Bottom
89.4 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  62% on Gd
Middle
SK-III and SK-IV Ultrapure Water = 74.7% - 82.1%@ 15 m
60 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  52% n capture on Gd
Top
30 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  35% n capture on Gd
Light @ 15 meters in the 200-ton tank (Gd water, no PMT’s)
Before installation of PMT’s, smooth behavior as Gd is added.
Fully Gd loaded, light dropped by <15% compared to SK-III/IV.
Light @ 15 meters in the 200-ton tank (Gd water, with PMT’s)
Yikes! Very different from what we saw in the bare tank.
And why the big difference between the two batches?
Simulated 2nd injection
Simulated 1st injection
60 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  52% on Gd
Top
Middle
Bottom
30 kg of Gd2(SO4)3*8H2O  35% n capture on Gd
Fast recirculation system turned on
SK-III and SK-IV Ultrapure Water = 74.7% - 82.1%@ 15 m
UF#1 Reject Line
Chiller
To Drain
0.2 mm
2nd Stage Filter
UV
#1
5 mm
1st Stage
Filter
Nanofilter #1
Nanofilter #1
Nanofilter #1
Nanofilter #1
0.5 ton Collection
Buffer Tank
Concentrated Gd NF Reject Lines
Recycles RO Reject Lines
TOC
DI
#1
5 mm
Filter
Repressurization
Pump
(>0.9 MPa,
>2 ton/hr)
Repressurization
Pump
(>0.9 MPa, >1.5 ton/hr)
RO #1
Conveying
Pump
(~0.35 MPa,
>4 ton/hr)
UV
#2
0.5 ton Buffer
Tank
Nanofilter
#2
Nanofilter
Nanofilter#2
#2
UF#2
Reject
RO Permeate Lines
DI
#2
5 mm
Filter
RO #2
Membrane
Degas
200 ton EGADS
Detector
#2
Ultrafilter#2
Ultrafilter
Ultrafilter #1
Correlation Matrix of input variables
Event display