[論文レビュー] A New 76Ge Double Beta Decay Experiment at LNGS

Iris Abt, M. Altmann+47 more|ArXiv.org|Apr 29, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、LNGSで実施される新規の低バックグラウンド76Ge0νββ崩壊実験を提案する。液体アルゴン遮蔽と高純度76Ge検出器を用い、Klapdor-Kleingrothausが報告した4σの0νββ崩壊信号の妥当性を検証することを目的としている。実験はバックグラウンド抑制を0.01カウント/keV/kg/y未満に達成し、第2段階では有効マヨラナニュートリノ質量の感度を0.03 eV未満にまで引き下げる。これにより、Klapdor-Kleingrothausの観測結果を高い信頼性で確認または否定できる。

ABSTRACT

This Letter of Intent has been submitted to the Scientific Committee of the INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in March 2004. It describes a novel facility at the LNGS to study the double beta decay of 76Ge using an (optionally active) cryogenic fluid shield. The setup will allow to scrutinize with high significance on a short time scale the current evidence for neutrinoless double beta decay of 76Ge using the existing 76Ge diodes from the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments. An increase in the lifetime limit can be achieved by adding more enriched detectors, remaining thereby background-free up to a few 100 kg-years of exposure.

研究の動機と目的

• Klapdor-Kleingrothausが報告した76Geにおける0νββ崩壊の4σ信号の妥当性を確認または否定すること。
• 0.01カウント/keV/kg/y未満のバックグラウンドレベルを達成し、有効マヨラナニュートリノ質量の感度を0.03 eV未満にまで引き下げる。
• バックグラウンド源を最小限に抑えるため、先進的な遮蔽および検出器技術を備えたLNGSにおける新規実験施設の構築。
• 76Ge二重ベータ崩壊実験の感度を、宇宙論的に関係する0.3 eVの閾値未満まで押し下げる。
• ニュートリノがマヨラナ粒子であるかどうかを、その有効質量の測定によって決定的なテストを行う。

提案手法

• 外部および内部バックグラウンドを抑制するために、液体アルゴン（LAr）遮蔽を用いる。LArの優れた自己遮蔽性および発光特性を活用する。
• 既存および新規に製造されたセグメント化された高純度ゲルマニウムダイオードを、源としても検出器としても使用する。
• 平底設計のスーパーインスレーテッド冷凍容器を提案し、熱的および機械的応力を低減するとともに、最適な検出器支持および遮蔽を実現する。
• 外部放射線バックグラウンドを除外するために、アクティブなミューオンおよび中性子遮断システムを備えたインストルメンテッド遮蔽を実装する。
• PLCベースの制御を用いた冗長でコンピュータ制御の安全および監視システムにより、停電や漏れ、圧力異常などの異常事態に対し自動的に応答し、継続的な運用を確保する。
• 液体アルゴンおよびゲルマニウム検出器の純度を、希ガス吸着法およびイン・サイトセンサーを用いてリアルタイムでモニタリングし、超低バックグラウンド状態を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.01カウント/keV/kg/y未満のバックグラウンドレベルを達成することで、76Geにおける4σの0νββ崩壊信号を確認できるか？
• RQ2 宇宙線生成核種および遮蔽材由来のバックグラウンド寄与を最小限に抑える最適な冷却および遮蔽構成は何か？
• RQ3 有効マヨラナニュートリノ質量の感度を0.03 eV未満にまで引き下げるには、バックグラウンドレベルをどのように低減できるか？
• RQ4 液体アルゴン環境下でセグメント化された高濃縮76Ge検出器を製造・運用するにあたり、主な技術的課題は何か？
• RQ5 完全自動化で冗長性を備えた安全および制御システムは、深地下施設における長期的かつ信頼性の高い運用を確保できるか？

主な発見

• 本実験は、有効マヨラナニュートリノ質量の感度を0.03 eV未満にまで引き下げるために不可欠な0.01カウント/keV/kg/y未満のバックグラウンドレベルを達成することを設計している。
• 第1段階では、既存の天然および高濃縮76Geダイオードを用い、バックグラウンドレベルを約0.03カウント/keV/kg/yに抑える。
• 第2段階では、新規に製造されたセグメント化された高濃縮76Ge検出器を用い、100 kg·年分の露出を蓄積する。
• 液体アルゴン遮蔽は、従来の被動遮蔽と比較して外部バックグラウンドを1000倍まで低減すると予想される。
• 安全システムには、遠隔監視を備えたPLCベースのフロントエンドが含まれており、停電、漏れ、圧力異常などの事態に対し自動応答が可能である。
• スケジュールは2005年に建設を開始し、第1段階の測定を2006年に開始。第2段階は高濃縮76Ge素材の調達後、2010年ごろに開始を想定している。