Recent  results  of  KamLAND-­‐Zen 11-­‐July-­‐2012  

Hiroshi  Nakano  

1 Paper  reading  seminar  

[Paper]  Measurement  of  the  double-­‐β  decay  half-­‐life  of  136Xe    with  the  KamLAND-­‐Zen  experiment  (published  19  April  2012)  hPp://prc.aps.org/pdf/PRC/v85/i4/e045504    Limits  on  Majoron-­‐Emi[ng  Double-­‐Beta  Decays  of  136Xe    in  KamLAND-­‐Zen  (Dated  May  30,  2012)  hPp://arxiv.org/pdf/1205.6372.pdf  

reference

•  hPp://www.awa.tohoku.ac.jp/rcns/wp-­‐content/uploads/2012/06/Results-­‐from-­‐KamLAND-­‐Zen.pdf  

•  hPp://www.icepp.s.u-­‐tokyo.ac.jp/info/sympo/18/torape/Hakuba2012-­‐Matsuda.pdf  •  hPp://www.jahep.org/hepnews/2011/11CKamLAND-­‐Zen-­‐04final.pdf  

2

Contents 3

□  Physics  mo+va+on      □  Detector  and  Selec+on    □  Result  

Physics  mo`va`on 4 Detector  &  Selec`on Physics Result

n

n

p

p

e–  

e–  

νe νe

2νββ  decay 0νββ  decay

n

n

p

p

e–  

e–  

0νββ  +  Majoron  decay

n

n

p

p

e–  

e–  

χ0

0νββ  search  is  the  only  way  for  check  whether  neutrino  is  Majorana  or  Dirac.    0νββ  rate  has  rela`on  to  neutrino  mass.    There  are  other  mechanisms.  (0νββ  +  Majoron)

lepton  #  viola`on  !  neutrino  =  an`  neutrino  !

Detector  [1/4]

•  Inner  Balloon  (IB)  –  radius  :  1.54  [m]  –  film  thickness  :  25  [μm]  –  Liquid  Scin`llator  (LS)  :  13  [ton]  –  136Xe  :    

•  300  [kg]  •  2.44  ±  0.01  %  by  weight  

–  role  :  •   2  beta  decay  source  •  Detector  

5 Physics Result Detector  &  Selec`on

Detector  [2/4] 6

•  Outer  Balloon  (OB)  –  radius  :  6.5  [m]  –  film  thickness  :  135  [μm]  –  Liquid  Scin`llator  (LS)  :  1000  [ton]  –  role  :    

•  Detector  •  Shield  for  Inner  Balloon  

Physics Result Detector  &  Selec`on

Detector  [3/4] 7

•  Buffer  Oil  (BO)  –  radius  :  9  [m]  –  role  :  

•  shield  •  Spherical  Stainless-­‐steel  

containment  Tank  (SST)  –  radius  :  9  [m]  –  role  :  

•  shield  for  Liquid  Scin`llator  –  PMT  :  

•  17  inch  :  1325  •  20  inch  :  554  •  coverage  :  34  [%]  

Physics Result Detector  &  Selec`on

Detector  [4/4] 8

•  Outer  Detector  (OD)  –  Water  :  3200  [ton]

Physics Result Detector  &  Selec`on

J Huge  LS  &  low  BG  à  KamLAND  is  good  for  0νββ  decay  search

DAQ  system •  Trigger  

–   70  or  more  17-­‐inch  PMT  hit  (~0.4  [MeV])  –  1  [ms]  lower  energy  threshold  (~0.25  [MeV])  awer  trigger  

•  Accuracy  –  vertex  resolu`on  :  15  [cm]  /  sqrt(E  [MeV])  –  energy  resolu`on  :  (6.6  ±  0.3)  [%]  /  sqrt(  E  [MeV])  –  Concerning  about  

•  PMT  gain  varia`on  •  solid  angle  •  shadowing  •  transparency  of  materials  

–  Calibra`on  •  γ  from  208Tl  decay  •  β  +  γ  form  214Bi  decay    •  2.225  [MeV]  gamma  from  neutron  capture  by  proton  

9

Some  BG  occurs  sequen`ally.  Lower  energy  threshold    cannot  be  set  always.

Physics Result Detector  &  Selec`on

Candidate  eventselec`on  [1/2]

•  i)  Fiducial  Volume  (FV)  :  R  <  1.2  [m]  

10

~  Vertex  resolu`on Inner  Balloon  surface

136Xe  2νββ

136Xe  0νββ 214Bi

134Cs

Ra`o  of  134Cs  to  137Cs  is  consistent  with    contamina`on  by  fallout.    FV  cut  is  performed  to  mi`gate  BG  from  IB.

FV  contains  125  ±  7  [kg]  of  136Xe.  (2.44  ±  0.01  %  by  weight)

Physics Result Detector  &  Selec`on

Candidate  eventselec`on  [2/2]

•  ii)  Muon  event  veto  –  Muon  :  10,000  p.e.  event  or  more  than  5  OD  hits  –  Events  occurring  within  2  [ms]  awer  muon  are  also  vetoed

11

Muon  causes    noisy  or  low  efficiency  sequen`al  events.  From  physical  and  electronic  side.  

•  iii)  Coincidence  cut  –  99.97  ±  0.01  %  of  214Bi  –  212Po  BG  is  removed    

•  iv)  Reactor  neutrino  veto  –  KamLAND  knows  its  feature  well    

•  v)  VTQ  test

Total  live  `me  awer  cut  :  77.6  [days]  for  paper  in  April.                112.3  [days]  for  paper  in  May.

Physics Result Detector  &  Selec`on

Result  (paper  in  April) 12

136Xe  2νββ is  dominant  in  

Low-­‐energy  region  

number  of    136Xe  0νββ

is  <  15  according  to  the  fit  

half-­‐life  of  136Xe  2νββ  is    2.38  ±  0.02  ±  0.14  x  1021  [yr]  

lower  limit  of  half-­‐life  of  136Xe  0νββ  is    5.7  x  1024  [yr]  (90%  C.L.).    Corresponding  effec`ve  mass  is  <mββ>  <  (0.3  –  0.6)  [eV]

Physics Result Detector  &  Selec`on

13 Physics Result Detector  &  Selec`on

•  Spectrum  for  fit  to  0νββ  region  –  100Ag  –  88Y  –  208Bi  –  60Co  –  136Xe  0νββ  

•  All  isotopes  in  the  ENSDF  database  were  searched  

Fit  with  136Xe  0νββ  only

Fit  with  110Ag  +    136Xe  0νββ  only

Fit  with  208Bi  +  136Xe  0νββ  only

Result  (paper  in  May) 14

half-­‐life  of  136Xe  2νββ  is    2.30  ±  0.02  ±  0.12  x  1021  [yr]  

lower  limit  of  half-­‐life  of  136Xe  0νββ  is    6.2  x  1024  [yr]  (90%  C.L.).    Corresponding  effec`ve  mass  is  <mββ>  <  (0.26  –  0.54)  [eV]

Contribu`on  from    Majoron-­‐emi[ng  mode  to  zero

lower  limit  of  half-­‐life  of  136Xe  Majoron-­‐emi[ng  mode  (n=1)  is  2.6  x  1024  [yr]

n  =  1  ordinary  mode  

Physics Result Detector  &  Selec`on

15 Physics Result Detector  &  Selec`on

•  2νββ  spectrum  and  one  of  a  0νββ  (+Majoron)  spectrum  are  fiPed  simultaneously.  

16

from  slide  of  Neutrino2012,  6th  June

Physics Result Detector  &  Selec`on

Systema`cs 17

paper  in  April

FV  error 5.2  %

enrichment  of  136Xe 0.05  %  

Xe  concentra`on 2.8  %

detector  energy  scale 0.3  %

Xe-­‐LS  edge  effect 0.06  %

detec`on  efficiency 0.2  %

Total 5.9  % 5.2  %

paper  in  May

supplemental  xenon  concentra`on  measurement

Physics Result Detector  &  Selec`on

Future  Prospects 18

from  slide  of  Neutrino2012,  6th  June

Physics Result Detector  &  Selec`on