[論文レビュー] Final Result of the MAJORANA DEMONSTRATOR's Search for Neutrinoless Double-$β$ Decay in $^{76}$Ge

I. J. Arnquist, F. T. Avignone+58 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

マジョラナ・デモニストレータは、$^{76}$Geにおけるニュートリノがない二重ベータ崩壊の最終的な探索を完了し、$Q_{\beta\beta}$において約2.5 keVのエネルギー分解能を達成し、90%信頼水準で半減期の上限を$T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$年と設定した。この結果から、有効なマヨラナニュートリノ質量の上限は$m_{\beta\beta} < 269$ meVとなり、ニュートリノの性質を調べ、弱い力で相互作用する巨大質量粒子のマヨラナ性を検証する世界的な取り組みに貢献した。

ABSTRACT

The MAJORANA DEMONSTRATOR searched for neutrinoless double-$β$ decay ($0νββ$) of $^{76}$Ge using modular arrays of high-purity Ge detectors operated in vacuum cryostats in a low-background shield. The arrays operated with up to 40.4 kg of detectors (27.2 kg enriched to $\sim$88\% in $^{76}$Ge). From these measurements, the DEMONSTRATOR has accumulated 64.5 kg yr of enriched active exposure. With a world-leading energy resolution of 2.52 keV FWHM at the 2039 keV $Q_{ββ}$ (0.12\%), we set a half-life limit of $0νββ$ in $^{76}$Ge at $T_{1/2}&gt;8.3 imes10^{25}$ yr (90\% C.L.). This provides a range of upper limits on $m_{ββ}$ of $(113-269)$ meV (90\% C.L.), depending on the choice of nuclear matrix elements.

研究の動機と目的

• 高純度ゲルマニウム検出器を用いて、$^{76}$Geにおけるニュートリノがない二重ベータ崩壊（$0\nu\beta\beta$）を探索すること。
• $^{76}$Geにおける$0\nu\beta\beta$崩壊の厳密な半減期の上限を設定し、有効なマヨラナニュートリノ質量を制約すること。
• 次世代実験に不可欠な超低バックグラウンド技術およびエネルギー分解能を実証すること。
• LEGEND計画の目的を実現するための実験的手法およびバックグラウンド抑制技術を検証すること。
• ニュートリノが自分自身の反粒子であるかどうかを解明する世界的な取り組みに貢献すること。

提案手法

• サンフォード地下研究施設に設置された低バックグラウンド・超低温地下検出器内で、80%に富化された高純度$^{76}$Ge検出器を用いた。
• エネルギー分解能が$Q_{\beta\beta} = 2039$ keVにおいて約2.5 keVに達し、これまでの$0\nu\beta\beta$実験で最高の性能を達成した。
• パルス波形分離（PSD）カットを実装し、n型ゲルマニウム表面における電荷の沈殿に敏感な新しいPSDカットを導入した。
• PSD効率のエネルギー依存性の系統的誤差を補正するために、$^{56}$Coをキャリブレーション源として用いた。
• 超純粋材料とアクティブシールドを用いた高度なバックグラウンド抑制技術を採用し、エネルギー分解能で正規化した際に2番目に低いバックグラウンドインデックスを達成した。
• 複数の検出器構成からのデータを統合し、QRPA、SM、IBM、EDFモデルを用いた核行列要素の計算を適用して、$m_{\beta\beta}$の上限を導出した。

Figure 1: The measured energy spectrum above 100 keV for the full enriched exposure after applying multiplicity and data cleaning cuts (dark gray), DCR, high- $AvsE$ and LQ cuts (light gray), and the low- $AvsE$ cut (red).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マジョラナ・デモニストレータの最終データセットに基づき、$^{76}$Geにおけるニュートリノがない二重ベータ崩壊の半減期の上限は何か？
• RQ2 マジョラナ・デモニストレータのエネルギー分解能およびバックグラウンド抑制性能は、他の$0\nu\beta\beta$実験と比べてどうか？
• RQ3 測定された半減期の上限から導かれる有効なマヨラナニュートリノ質量$m_{\beta\beta}$の上限は何か？
• RQ4 異なる核行列要素モデルは、$m_{\beta\beta}$の観点から半減期の上限の解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ5 マジョラナ・デモニストレータで開発された実験的手法は、LEGEND計画の目標をどの程度満たしているか？

主な発見

• マジョラナ・デモニストレータは、$^{76}$Geにおけるニュートリノがない二重ベータ崩壊について、90%信頼水準で半減期の上限$T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$年を設定した。
• 実験は、$Q_{\beta\beta} = 2039$ keVにおいて約2.5 keVのエネルギー分解能を達成し、これまでの$0\nu\beta\beta$実験で最高の性能を記録した。
• エネルギー分解能で正規化したバックグラウンドインデックスは2番目に低く、GERDA（液体アルゴン遮蔽を用いた）を除いては最高であった。
• $^{56}$Coキャリブレーションを用いることで、PSDカットにおけるエネルギー依存性の系統的誤差を補正できた。
• n型ゲルマニウム表面における電荷沈殿に敏感な新しいパルス波形分離カットを導入し、バックグラウンドの遮断性能が向上した。
• 導出された有効なマヨラナニュートリノ質量$m_{\beta\beta}$の上限は、使用した核行列要素モデルによって113〜269 meVの範囲にあり、保守的な上限269 meVが90%信頼水準で得られた。

Figure 2: The measured energy spectrum for the full enriched exposure in the range of 1950-2350 keV, after applying all background cuts. The 360-keV background estimation window excludes the shaded 10 keV windows around expected gamma lines in gray, and the 10 keV window around the 2039 keV $Q_{\bet