[論文レビュー] Brief review of double beta decay experiments

A. S. Barabash|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2017

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノを伴わない（0νββ）および2個のニュートリノを伴う（2νββ）モードに焦点を当て、最新の二重ベータ崩壊実験結果をレビューし、有効電子ニュートリノ質量（$\< m_\nu \rangle$）およびメジャオン放出結合定数（$\< g_{ee} \rangle$）の更新された上限を提示する。KamLAND-Zen や GERDA-II などの実験による現在の最高感度を強調し、次世代実験（LEGEND、nEXO、CUPID）を用いて今世紀中には $\< m_\nu \rangle < 0.05$ eV にまで向上する可能性を予測する。

ABSTRACT

Best present experimental achievements in double beta decay are presented. Possible progress in this field in the near and far future is discussed.

研究の動機と目的

• 2νββおよび0νββ崩壊測定を含め、二重ベータ崩壊研究の現在の実験的状況を要約すること。
• ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊およびメジャオン放出に対して、90%信頼水準における最も厳しい実験的上限を提示すること。
• 近い将来の実験が有効電子ニュートリノ質量（$\langle m_\nu \rangle$）およびメジャオン結合定数（$\langle g_{ee} \rangle$）に達する感度を予測すること。
• 特に軸ベクトル結合定数 $g_A$ の理論的不確実性が、将来的な感度に与える影響を評価すること。

提案手法

• GERDA、KamLAND-Zen、NEMO-3、CUORE などの主要な二重ベータ崩壊実験からの実験データの収集。最近の理論的計算に基づく位相空間因子および原子核行列要素（NMEs）を用いる。
• 90%信頼水準（C.L.）における $T_{1/2}(0\nu)$ および派生量 $\langle m_\nu \rangle$、$\langle g_{ee} \rangle$ の上限を導出するためにベイズ的および頻度主義的統計的手法を用いる。
• 標準模型の入力として：$g_A = 1.27$、位相空間因子は[12,13,26]、NMEs は複数の理論的モデル（例：[3–11,14–16]）を用いる。
• 次世代実験の感度予測は、想定される露出量、バックグラウンド低減、および検出器設計に基づいて行う。
• 実験結果と理論的予測の比較を通じて、ニュートリノ性質の制約を評価する。
• KamLAND-Zen や GERDA-II におけるバックグラウンド揺らぎの影響を解釈に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 136Xe、76Ge、100Mo などの同位体について、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の現在の最も厳しい実験的上限は何か？
• RQ2 KamLAND-Zen および GERDA-II の最新結果は、$\langle m_\nu \rangle$ に関して過去の上限をどのように改善したか？
• RQ3 LEGEND や nEXO、CUPID などの次世代実験が、$\langle m_\nu \rangle$ および $\langle g_{ee} \rangle$ に達する予想される感度は何か？
• RQ4 原子核行列要素および軸ベクトル結合定数 $g_A$ の不確実性が、$\langle m_\nu \rangle$ 上限の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 KamLAND-Zen で観察されたように、バックグラウンド揺らぎが感度を超える上限を達成する役割を果たすか？

主な発見

• KamLAND-Zen 実験は、136Xe について 90% C.L. で $T_{1/2}(0\nu) > 1.07 \times 10^{26}$ yr の上限を達成し、これに対応する $\langle m_\nu \rangle < 0.06-0.16$ eV となった。
• GERDA-II は、76Ge について 90% C.L. で $T_{1/2}(0\nu) > 3.5 \times 10^{25}$ yr の上限を報告し、ベイズ解析を用いて $\langle m_\nu \rangle < 0.18-0.48$ eV となった。
• 現在の最も慎重な $\langle m_\nu \rangle$ 上限は、利用可能な最高のデータおよび理論的入力に基づき、$< 0.24$ eV である。
• メジャオン放出に関しては、KamLAND-Zen による通常のメジャオン（n=1）で $\langle g_{ee} \rangle < 1.2 \times 10^{-5}$ が最も厳しい上限となった。
• 今後、感度は 2022–2025 年までに $\langle m_\nu \rangle < 0.05$ eV に達し、2030 年までに $\langle m_\nu \rangle < 0.02$ eV にまで向上すると予測される。
• 次世代実験（LEGEND（1000 kg の76Ge）、nEXO（5000 kg の136Xe）、CUPID）は、2020年から2030年にかけてデータ取得を開始すると予想される。