[論文レビュー] Direct determination of Neutrino Mass from Tritium Beta Spectrum

C. Weinheimer|ArXiv.org|Dec 8, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、窓のない気体状トリチウム源と高分解能MAC-E-フィルタースペクトロメータを用いて、電子ニュートリノ質量を0.2 eV/$c^2$の感度で直接測定することを目的とした次世代のトリチウム $β$-崩壊実験、KATRIN実験を提示する。高度なキャリブレーションとモニタリングにより系統的不確実性を最小限に抑え、従来の感度を10倍改善し、$m(\nu_e) \geq 0.35$ eV/$c^2$の場合に5σの有意水準で非ゼロのニュートリノ質量を発見可能となる。

ABSTRACT

The investigation of the endpoint region of the tritium beta decay spectrum is still the most sensitive direct method to determine the neutrino mass scale. In the nineties and the beginning of this century the tritium beta decay experiments at Mainz and Troitsk have reached a sensitivity on the neutrino mass of 2 eV/c^2 . They were using a new type of high-resolution spectrometer with large sensitivity, the MAC-E-Filter, and were studying the systematics in detail. Currently, the KATRIN experiment is being set up at Forschungszentrum Karlsruhe, Germany. KATRIN will improve the neutrino mass sensitivity by one order of magnitude down to 0.2 eV/c^2, sufficient to cover the degenerate neutrino mass scenarios and the cosmologically relevant neutrino mass range.

研究の動機と目的

• 素粒子物理学、宇宙論、構造形成にとって極めて重要な、絶対的ニュートリノ質量スケールに関する根本的な未解決問題に取り組む。
• 質量差しか測定できないニュートリノ振動などの間接的手法の限界を克服する。
• トリチウム $β$ 崩壊における相対論的運動論的法則を用いて、モデルに依存しない直接的手法で電子ニュートリノ質量を調べる。
• $β$ スペクトルの端末領域における系統的不確実性を低減し、0.2 eV/$c^2$の感度を達成する。
• 質量が0.35 eV/$c^2$を超える場合に、5σの有意水準で非ゼロのニュートリノ質量を検出可能とし、宇宙論的に関連する範囲をカバーする。

提案手法

• KATRIN実験は、窓のない気体状トリチウム源を用いることで、従来の実験と比較して電子の発生率を100倍に向上させる。
• MAC-E-フィルタースペクトロメータのダブルット構成により、受容角が100倍大きく、エネルギー分解能が5倍向上し、端末エネルギー近傍の $β$-崩壊スペクトルを高精度で測定できる。
• エネルギー損失、電圧安定性、電場の均一性をキャリブレーションするため、$^{83m}$Krコンバージョン電子源と電子銃を用いた積極的モニタリングにより、系統的不確実性を最小限に抑える。
• 電圧の安定性はppm精度の高電圧分圧器と電圧基準を用い、二次的スペクトロメータによる継続的モニタリングで確保する。
• プラズマが引き起こす電位の不均一性は、電位を定義するプレートと、$^{83m}$Kr/T$_2$混合ガスを用いたイン・サイトモニタリングにより緩和される。
• 二重層のスクリーニングワイヤ電極系、アクティブおよびパassブロッキングシールド、検出器内に使用される低放射性物質により、バックグラウンドを抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KATRIN実験は、トリチウム $β$ 崩壊における直接的ニュートリノ質量測定で、どの程度の感度限界に達するか？
• RQ2 どのようにして $β$ スペクトルの端末領域における系統的不確実性を0.017 eV$^2$/c$^4$未満に低減できるか？
• RQ3 KATRIN実験は、従来の実験と比較して10倍の感度向上を達成する0.2 eV/$c^2$の電子ニュートリノ質量感度に到達できるか？
• RQ4 $m(\nu_e) = 0.3$ eV/$c^2$の場合に、KATRIN実験はどの有意水準で非ゼロのニュートリノ質量を検出可能か？
• RQ5 宇宙論、$0\nu\beta\beta$ 崩壊、直接的質量測定といった異なる手法が、絶対的ニュートリノ質量スケールを調査する上でどのように補完し合うか？

主な発見

• KATRINは、系統的不確実性 $\Delta m^2(\nu_e)_{\rm sys} = 0.017$ eV$^2$/c$^4$ を達成しており、目標の閾値をはるかに下回っている。
• 本実験は、電子ニュートリノ質量の感度を0.2 eV/$c^2$まで向上させ、従来のトリチウム $β$-崩壊実験と比較して10倍の改善を達成した。
• ニュートリノ質量が観測されない場合、KATRINは90%信頼水準で0.2 eV/$c^2$の上限を設定する。
• $m(\nu_e) = 0.3$ eV/$c^2$の場合に3σの有意水準で非ゼロのニュートリノ質量を発見可能であり、$m(\nu_e) = 0.35$ eV/$c^2$の場合には5σの有意水準で発見可能である。
• 窓のない気体状トリチウム源により、従来の実験と比較して100倍のカウントレートが向上し、統計的感度が著しく向上した。
• $^{83m}$Kr源と電子銃を含む包括的なキャリブレーションとモニタリングにより、KATRINはすべての主要な系統的効果を0.01 eV$^2$/c$^4$未満のレベルに制御している。