[論文レビュー] 75 years of double beta decay: yesterday, today and tomorrow

A. S. Barabash|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本レビューは、75年間にわたる二重ベータ崩壊研究を要約し、理論的基盤、実験的出来事、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の検出の今後の可能性をカバーする。10個の同位体における二ニュートリノ二重ベータ崩壊の検出を要約し、有効マヨラナニュートリノ質量 ⟨mν⟩ < 0.75 eV およびマヨラントルの結合定数 ⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴ の保守的上限を提示し、次世代実験がニュートリノ質量を 0.01–0.1 eV のレベルで検出可能になると予測する。

ABSTRACT

In this report I will briefly review the motivation and history of double beta decay search since the first consideration of two neutrino process (2$β(2ν)$) by Maria Goeppert-Mayer in 1935. The first experiments on search for double beta decay in the late of 1940's and beginning of 1950's are considered. It is underlined that for the first time the 2$β(2ν)$ decay has been registered in geochemical experiment with $^{130}$Te in 1950. In direct (counter) experiment this type of decay for the first time has been registered in $^{82}$Se by Michael Moe's group in 1987. Now two neutrino double beta decay has been recorded for 10 nuclei ($^{48}$Ca, $^{76}$Ge, $^{82}$Se, $^{96}$Zr, $^{100}$Mo, $^{116}$Cd, $^{128}$Te, $^{130}$Te, $^{150}$Nd, $^{238}$U). In addition, the 2$β(2ν)$ decay of $^{100}$Mo and $^{150}$Nd to the 0$^+_1$ excited state of the daughter nucleus has been observed and the ECEC(2$ν$) process in $^{130}$Ba was observed too. As to neutrinoless double beta decay (2$β(0ν)$) this process has not yet been registered. In the review results of the most sensitive experiments (Heidelberg-Moscow, IGEX, CUORICINO, NEMO-3) are discussed and conservative upper limits on effective Majorana neutrino mass and the coupling constant of the Majoron to the neutrino are established as $\langle m_ν angle &lt; 0.75$ eV and $\langle g_{ee} angle &lt; 1.9 \cdot 10^{-4}$, respectively. The next-generation experiments, where the mass of the isotopes being studied will be as grand as 100 to 1000 kg, are discussed. These experiments will have started within a few years. In all probability, they will make it possible to reach the sensitivity to the neutrino mass at a level of 0.01 to 0.1 eV.

研究の動機と目的

• 1935年以降の二重ベータ崩壊実験の歴史的発展と現在の状況をレビューすること。
• 10個の同位体における二ニュートリノ二重ベータ崩壊の実験的検出とニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の観測不能性を要約すること。
• 現在の実験から得られた有効マヨラナニュートリノ質量およびマヨラントル結合に対する最も厳しい実験的上限を提示すること。
• 次世代実験のニュートリノ質量スケールに対する感度を予測し、0.01–0.1 eV の範囲を標榜すること。
• 二重ベータ崩壊が、標準模型を超える新しい物理、特にレプトン数の破れとニュートリノ質量の起源を解明する上で果たす役割を強調すること。

提案手法

• 1935年から2011年までの二重ベータ崩壊における理論的および実験的発展の体系的レビュー。
• ヘイデルベルク・モスクワ、IGEX、CUORICINO、NEMO-3などの主要実験からの半減期測定値および上限値の収集と分析。
• 核行列要素（NMEs）を複数の理論的研究から得て、実験結果の解釈および今後の感度の予測に使用。
• NMEs [61, 62, 63, 64, 66, 67] を用いて、同位体質量、バックグラウンドレベル、露出時間に基づき次世代実験の感度を予測。
• 異なる同位体およびスペクトル指数（n = 2, 3, 7）における0νββ崩壊およびマヨラントル放出モードの実験的上限を比較。
• 地球化学的および直接計数実験の評価により、130Teにおける2νββ崩壊の最初の検出（1950年）および82Seにおける検出（1987年）を確立。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二ニュートリノ二重ベータ崩壊の検出状況は、さまざまな同位体でどのように推移しているか？
• RQ2 ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊および有効マヨラナニュートリノ質量に対する最も厳しい実験的上限は何か？
• RQ3 実験結果は、マヨラントルとニュートリノの結合をどのように制限しているか？
• RQ4 次世代の二重ベータ崩壊実験の感度は、ニュートリノ質量スケールに対してどのように予測されるか？
• RQ5 0νββ崩壊の観測は、標準模型を超える素粒子物理学的根源にどのように関連しているか？

主な発見

• 二ニュートリノ二重ベータ崩壊は、48Ca、76Ge、82Se、96Zr、100Mo、116Cd、128Te、130Te、150Nd、238U の10個の同位体で実験的に観測された。
• 100Moおよび150Ndの2νββ崩壊が娘核の0⁺₁励起状態に至ること、および130BaにおけるECEC(2ν)過程の検出も確認された。
• 有効マヨラナニュートリノ質量に対する最も保守的な上限は、ヘイデルベルク・モスクワ、IGEX、CUORICINO、NEMO-3実験の統合結果から ⟨mν⟩ < 0.75 eV である。
• 通常のマヨラントルがニュートリノと結合する結合定数に対する上限は、90%信頼水準で ⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴ である。
• GERDA、MAJORANA、EXO-200、CUORE、KamLAND-Xe、SuperNEMO、SNO+ などの次世代実験は、数年間の運用でニュートリノ質量を 0.01–0.1 eV のレベルで検出可能になると予測される。
• 2νββ崩壊の最初の直接観測は、1987年にモーのグループによって82Seで達成されたが、最初の地球化学的検出は1950年に130Teでなされた。