ニュートリノ崩壊光子探索用STJ検出器の較正に用いる遠赤外分子レーザーの性能評価

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1 STJ 検出器の較正に用いる遠赤外線源の開発 福井大工, 中部大工 A, 筑波大数理 B, 福井大遠赤セ C 小村祥太, 折笠桂輔, 廣瀬龍太, 吉田拓生, 岡島茂樹 A, 中山和也 A, 金信弘 B, 武内勇司 B, 小川勇 C ニュートリノフロンティア研究会クロスウェーブ府中 013 年 1 月 7 日

2 m ニュートリノ崩壊とは ニュートリノの質量二乗差の値 m 3 3 m3 m.4310 ev 5 1 m m Ref. Ahn, M. H. et al. (KK), Phys. Rev. D74 (006) m 3 (mev) m (mev) m 1 (mev) 光子のエネルギー 7 ev E Eγ (mev) 波長 λ (μm) ニュートリノ崩壊ファインマン図 ( 静止系 ) ( 質量 3) 3 m 遠赤外領域の電磁波 ニュートリノ崩壊光子のエネルギー E, m3 m m m m が分かれば ニュートリノの質量が決まる 3 3 W ( 質量 ) m ニュートリノの寿命 τ ~10 18 years (LR Symmetric Model, m 3 と m にもよる ) 3 3 E

3 検出器について STJ 検出器 (Superconducting Tunnel Junction) 1 素子 光子 (14~4meV) 5mm 縦 : 100μm, 横 : 100μm, 高さ : 300nm 超電導体 枚で絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造 遠赤外領域の光子のエネルギー測定のために有望 Hf-STJ 検出器のエネルギー分解能 ( 理論値 )~1.7%@4meV 本研究で視野に入れている光子のエネルギー (Eγ=14~4 mev 波長 λ= 89~5 μm ) 領域で実際に性能評価をする必要がある

4 宇宙背景ニュートリノ ビッグバンによって宇宙が生まれたとき 光子や電子やクォークなどと共に大量に生成され 今でも大量に宇宙の中を飛び交っていると考えられているが 未発見 崩壊する確率は極めて低いため 観測するには大量のニュートリノが必要 宇宙に大量に存在するであろう宇宙背景ニュートリノを観測対象とする 粒子が飛び交う宇宙光子 : 400 個 /cm 3 ( 約 3K) ニュートリノ :100 個 /cm 3 ( 理論による予測, 約 1.9K) ニュートリノの寿命 τ ~10 18 years

5 STJ 検出器性能評価 性能評価には光子のエネルギー E γ = 14~4meV ( 波長 : 89~5 μm 周波数 : 1.~6.1 THz) の光源が必要 遠赤外分子レーザーの特徴 ( 設計仕様 ) アルコールガス (CH 3 OHなど ) をCO レーザーで励起させ 遠赤外レーザーを発振 発振波長 :40μm~500μm(E γ :31meV~.5meV 周波数 : 7.~0.6 THz) の間の約 70 本の単色発振線から任意の一つを選択可 連続波発振 出口 福井大学遠赤外線領域開発センターの遠赤外分子レーザーシステム中部大学岡島研で開発 分子レーザーを STJ 検出器性能評価に用いることができる

6 他のレーザーとの比較 CO レーザー λ=9μm~11μm 遠赤外分子レーザー λ=40μm~500μm(eγ=31~.5mev) 半導体レーザー 高出力ジャイロトロン 波長 (μm) 1THz 1GHz ニュートリノ崩壊光子 λ=5μm~89μm(eγ=4~14mev) ジャイロトロン : 磁場に巻き付いた電子の回転運動をエネルギー源として 高周波を発振させる大型の電子管

7 CO レーザー励起の遠赤外分子レーザーシステム模式図 CO レーザーを分子レーザーに入射させ 分子レーザー共振器内に満たされたガスを励起 ZnSeCO レーザー出力鏡 CO +N +He ガス in CO レーザー装置 遠赤外レーザーを発振 高電圧 (~10kV) をかけてガスを励起 Au+Cu 回折格子 CO レーザー 共振器長.4 m 付近で微調 放電長 :1.1m 放電長 :1.1m 分子レーザー装置 Si ハイブリッド出力鏡 遠赤外レーザー Au+Cu 入力結合鏡 共振器長.4 m 付近で微調 共振器長 :.4 m CH 3 OH 等を入れる容器

8 ZnSeCO レーザー出力鏡圧電素子による共振器長の微調整 励起用 CO レーザー装置 CO +N +He ガス in 高電圧 (~10kV) をかけてガスを励起 Au+Cu 回折格子角度調節による発振線の選択 CO レーザー 9R(34) 共振器長 共振器長.4m 付近で微調 ( 半波長の整数倍で共振 ) レーザー管 ( パイレックスガラス製 ) 9μm 帯発振線 9μm~11μm に多くの発振線を持つ (CO 分子の振動 回転状態によって様々なエネルギー準位を持つから ) 例 : 発振線 9R(34) 9μm 帯の波長で CO 分子の角運動量が 35 から 34 に遷移

9 遠赤外分子レーザー装置 遠赤外分子レーザーの発振線の選択方法 分子レーザー共振器内に入れるガスを 1 つ選び CO レーザーの発振線を選択し 分子レーザーの共振器長を微調整する 真空に引くことで共振管内をアルコールの蒸気で満たす CO レーザー光 ガスアウト レーザー管 ( パイレックスガラス製 ) 分子レーザー共振器内に入れるガスガラス容器 : CH 3 OH CD 3 OH CH DOH CHD OH CH 3 I (D= 重水素 ) ガスボンベ :CH F 遠赤外レーザー スポット :10mmφ Au+Cu 入力鏡 中心から 9mm 離れた所に 3mmφ の穴が空いている 共振器長 :.4m 共振器長.4m 付近で微調 ( 半波長の整数倍で共振 ) Si ハイブリッド出力鏡 CO レーザー光は反射 ステッピングモーターで共振器長の微調整

10 レーザー強度 (A.U.) 分子レーザーの稼働テスト 励起 CO レーザー光 ョッパー (5Hz) ミラーはステッピングモーター駆動のステージで制御 同期信号 焦電検出器 データーロガーへ λ/( 半波長毎に共振 ) 遠赤外レーザー光 λ=5.9μm 使用ガス CO 発振線 CO 出力 (W) x(μm) 40 0 共振器長の微調節 ( ミラーの位置座標 )x (μm) 波長 (μm) 光子のエネルギー (mev) 出力 (mw) CD 3 OH 9R(34) ロックインアンプ 出力はパワーメーターで別途測定

11 レーザー出力 (A.U.) レーザー出力 (A.U.) λ=43.7μm 使用ガス CO 発振線 波長 (μm) 光子のエネルギー (mev) CD 3 OH 10R(18) λ=86.4μm 共振器長の微調節 ( ミラーの位置座標 )x (μm) 使用ガス CO 発振線 波長 (μm) 光子のエネルギー (mev) CD 3 OH 10R(16) 共振器長の微調節 ( ミラーの位置座標 )x (μm)

12 遠赤外レーザー発振線 (70 本の設計値の一部抜粋 ) 使用ガス CO 発振線 CO 出力 (W) 波長 (μm) 光子のエネルギー (mev) 出力 (mw) CD 3 OH 10R(18) (89) (6) CD 3 OH 9R(34) CH 3 OH 10R(16) (13) (54) CD 3 OH 10R(16) (99) (5) CH 3 OH 9R(10) (83) (68) CH DOH 10P(6) (110) (4) CH DOH 9P(14) (85) (19) は確認済みの発振線 本研究で視野にいれているニュートリノ崩壊光子のエネルギー領域 ( E γ = 14~4 mev 波長 λ= 89~5 μm ) がカバーされている ( ) 内は設計値 出力 4.mW で照射される光子は 10 1 個 /μs (10mmφ のスポットあたり )

13 連続発振線のパルス化 ( 回転ミラー方式 ) 光信号に対する検出器の応答を調べたいのでパルス化する必要がある STJ 検出器用のアンプの時定数に合わせて 1μs 以下を目標 APD (C5460 APD Module) (f 1.5 mm, DC~10 MHz) スリット 回転ミラー (3600rpm,60 Hz) (f 100 mm, 8 mirrors) 40.0 mm 4.5 mm Mirror

14 回転ミラー方式でのパルス時間幅 ~0.8 μ s(fwhm)

15 結論 遠赤外分子レーザーの稼働テストを行い 本研究で視野にいれているニュートリノ崩壊光子のエネルギー領域 (Eγ=14~4 mev 波長 λ= 89~5 μm) に対応した発振線を確認し 出力を測定した 連続波発振であるレーザーをパルス化 回転ミラー :0.8μs 今後の展望 STJ 検出器の性能評価のため 本研究で視野に入れているエネルギー領域 (Eγ=14~4 mev 波長 λ= 89~5 μm) に対応した分子レーザーの発振線を更に確認していく 分子レーザーでパルス化のテスト 出力が強いので減光するテスト ( アテネーター Defocus) この遠赤外分子レーザーを実際に STJ 検出器に照射し STJ 検出器の性能評価を行う

16 STJ 検出器性能評価実験 CO レーザー 遠赤外分子レーザー 回転ミラー 出力 4.mW で照射される光子は 10 1 個 /pulse(=1μs) (10mmφ のスポットあたり ) アテネーター スリット 検出器 (100μm 100μm) あたり照射される光子は 10 8 個 /μs 1% のアテネーターを 4 枚入れると照射される光子は平均 1 個 /μs 冷凍機 STJ 検出器

17 ご静聴ありがとうございました

18 予備スライド

19 ニュートリノとは? 第一世代 e e 第二世代 第三世代 3 m m m 3 ニュートリノの二乗差 特徴 3 種類ある 質量の二乗差だけ分かっている 透過性が非常に高い 寿命が非常に長い カミオカの振動実験によって発見された 検出が困難

20 STJ 検出器のエネルギー分解能 光子のエネルギー測定精度 E 1.7( FE ) 光子のエネルギー : E γ エネルギーギャップ : Δ ファノ因子 : F = 0. エネルギー分解能 E E Ref. M.Kurakado, Nucl. Instr. And Meth. 196(198)75 Material Δ (mev) エネルギー分解能 (%) Nb Al Hf

21 ニュートリノの寿命 標準模型 ref. P.B.Pal and L.Wolfenstein, Phys. Rev.D5, (198) 1 9G 819 F 4 m m ( m m 3 m M W years 質量二乗差 : Δm 3 = ev ν 3 ν の質量 : m 3 = 50 mev, m = 8.7 mev τ 粒子の質量 : m τ = 1.78 GeV 微細構造定数 : α = フェルミカップリング定数 : G F = GeV - Weak Boson の質量 : M W = 80.4Ge 標準模型だと寿命が非常に長い ニュートリノの崩壊幅が大きくなる右巻き WeakBoson が存在する L-R 対称模型で計算する

22 ニュートリノの寿命 1 U 3 GF 4 3 U 33 m m ( m m 3 ref. R.E.Schrock, Nucl. Phys. B06 (198) 359 ref. M.Czakon,Phys.Lett. B458(1999)355 4 m M W1 M W1 1 4m 1 sin 4 MW1 MW MW 質量二乗差 : Δm 3 = ev ν 3 ν の質量 : m 3 = 50 mev, m = 8.7 mev τ 粒子の質量 : m τ = 1.78 GeV 微細構造定数 : α = フェルミカップリング定数 : G F = GeV - W L の質量 : M W1 = 80.4Ge W R の質量下限 : M W = TeV W L とW R の混合角の上限 : sinζ = 寿命がとても長いため ニュートリノの崩壊を観測するためには数多くのニュートリノが必要となる 宇宙に膨大に存在していると言われる宇宙背景ニュートリノを観測対称とする years

23 崩壊光子と宇宙背景赤外輻射 (CIB) のエネルギー分布 崩壊光子のエネルギーは一定値なので一本の線になる赤方偏移によってはずが テールを引く (E γ =4meV) バックグラウンド宇宙背景赤外輻射 (CIB) など (COBE と AKARI の観測結果から予測 ) 観測時間 11 日 検出器の大きさ 直径 0cm 検出器の視野角 3 ニュートリノ崩壊光子 dn de dsddt c 4H E 0 E E 0 3 M 1 Ref. Physics Procedia, Volume 37, 01, Pages ( 式に沿ってシミュレーション ) 光子のエネルギー sharp edge 検出器の分解能 0%, ニュートリノ重心系での崩壊光子のエネルギー (E γ =4meV) で 鋭く切り立った形を成す 実際の観測では 検出器の分解能とニュートリノの熱運動によって僅かに滲む

24 検出原理 ニュートリノ崩壊光子のエネルギーとバックグラウンド (CIB) を足し合わせたヒストグラム ニュートリノ崩壊光子のエネルギー ( 分解能 1.7%rms) ニュートリノ熱運動による滲みは無視してよい 傾き 宇宙背景赤外幅射 (CIB) シミュレーション条件 観測時間 11 日 検出器の大きさ 直径 0cm 検出器の視野角 3 検出器の分解能 1.7%rms エネルギーで微分することで 傾きを求める エッジの部分 ( E γ ) で傾きが急に大きくなる 崩壊現象の有無を確認 4meV 光子のエネルギー

25

26 CO レーザー原理 1 均衡状態 O C 対称伸縮振動状態 ν 1 O CO 分子の振動状態は (ν 1,ν,ν 3 ) の 3 つの量子数の組み合わせで表される O O C 屈曲振動状態 ν C O O 振動状態によって決まる振動エネルギー準位は さらに回転量子数 J によるいくつかのエネルギー準位からなる 非対称伸縮振動状態 ν 3 O C O

27 CO レーザー原理 (001) 9R4 9P6 10R4 10P6 (100) 励起された CO 分子は (001) を上準位 (J=5) とし (100) または (00) を下準位として落ちる CO (00) (000) (J-1) から (J) の遷移を P ブランチ (J+1) から (J) の遷移を R ブランチと呼び P(J) R(J) と表記 CO レーザーの特徴 赤外領域における高出力かつ高効率の分子レーザー 9μm~11μm に多くの発振線

28 CO レーザー励起の遠赤外分子レーザー原理 9μm~11μm の波長帯域に吸収帯をもつ分子は非常に多い 1CO レーザー線を強く吸収 大きな永久双極子モーメントを持ち 回転遷移の遷移確率が大きい 3 エネルギー準位あたりの分子の分布数が大きい 4 約 6 原子以下の分子 CO laser 周波数が一致 ν=0 励起振動状態 ν=ν J FIR laser J -1 FIR laser J - 基底振動状態 J+1 J FIR laser 特徴 放電励起とは異なり電子衝突による分子の解離問題がない 遠赤外分子レーザー媒質に多原子分子が使える

29 CO レーザー発振線

30 アテネーター 商品名 :Quasioptical Thin Film Attenuator TFA-4 N51 特徴 : 厚さ 5μm のポリエステルフィルムに金属を蒸着したもの 蒸着した金属の厚さによって透過率が決まる Slider label Transmission, %

31 連続発振線のパルス化 ( チョッパー方式 ) オシロスコープ 直径 100mm スリット幅 1mm 100Hz で回転 波長 630nm( 可視光 ) 連続波発振 He-Ne レーザー チョッパーフォトトランジスタ 10kΩ 9 V ~30μs(FWHM) パルス時間幅 30μs スリット幅 :0.1mm 回転周期 :400Hz で 1μs 以下にできると考えられる

32 伝送路モデル ( チョッパー方式 ) CO レーザー CO レーザー 冷凍機 遠赤外レーザー 分子レーザー チョッパー STJ 検出器 アテネーター

33 分子レーザー入力鏡 3mmφ 分子レーザー出力鏡 CO および分子レーザーを反射 CO は反射 分子レーザーは通す

34 GaAs ショットキーバリアダイオード (SBD) 常温で使用できる 金属 + 半導体 高感度で低ノイズ 金属と半導体を接合することでできるエネルギー障壁 ( ショットキーバリア ) を利用したダイオード アンテナ SBD 検波出力

35 ショットキーバリアダイオード (SBD) の特性 耐圧が低く 漏れ電流が大きい 順方向電圧が低い 耐圧を高くすると V+ も大きくなる ( 耐圧は現在 100V 前後 ) ショットキーバリア 伝導帯 価電子帯 禁止帯 価電子帯 金属 半導体 金属側に + の電圧をかけた場合は印加電圧分だけ伝導帯が持ち上がり 電子が金属側に流れる 金属側に - の電圧をかけた場合はショットキーバリアの壁があり 電子は金属側に流れない

36 焦電素子 ( ここで焦電検出器 = 焦電素子 + オペアンプ ) 10MΩ 1MΩ 18V 1KΩ パイロ素子 - + LF357H -18V Output

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