[論文レビュー] First Calorimetric Measurement of OI-line in the Electron Capture Spectrum of $^{163}$Ho

P. C.-O. Ranitzsch, C. Hassel+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2014

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、低温金属磁気カルリメータ（MMCs）を用いて、$^{163}$Hoにおける電子捕獲による48 eVのOI線の初回のカルリメトリック測定を実施した。エネルギー分解能は非常に高く（$ abla E_{\text{FWHM}} = 8.3$ eV）、$^{163}$Hoがニュートリノ質量実験において重要な核種であることが裏付けられ、EChOプロジェクトが電子ニュートリノ質量をeV未塔の感度で決定することを可能にするための重要なキャリブレーションデータを提供した。

ABSTRACT

The isotope $^{163}$Ho undergoes an electron capture process with a recommended value for the energy available to the decay, $Q_{ m EC}$, of about 2.5 keV. According to the present knowledge, this is the lowest $Q_{ m EC}$ value for electron capture processes. Because of that, $^{163}$Ho is the best candidate to perform experiments to investigate the value of the electron neutrino mass based on the analysis of the calorimetrically measured spectrum. We present for the first time the calorimetric measurement of the atomic de-excitation of the $^{163}$Dy daughter atom upon the capture of an electron from the 5s shell in $^{163}$Ho, OI-line. The measured peak energy is 48 eV. This measurement was performed using low temperature metallic magnetic calorimeters with the $^{163}$Ho ion implanted in the absorber. We demonstrate that the calorimetric spectrum of $^{163}$Ho can be measured with high precision and that the parameters describing the spectrum can be learned from the analysis of the data. Finally, we discuss the implications of this result for the Electron Capture $^{163}$Ho experiment, ECHo, aiming to reach sub-eV sensitivity on the electron neutrino mass by a high precision and high statistics calorimetric measurement of the $^{163}$Ho spectrum.

研究の動機と目的

• 電子ニュートリノ質量測定のための重要な核種である$^{163}$Hoにおける電子捕獲による48 eVのOI線の初回カルリメトリック測定を実施すること。
• 低温金属磁気カルリメータ（MMCs）を用いた$^{163}$Hoの高精度なスペクトル解析の実証。
• 将来のEChO実験における高統計・高分解能測定のための検出器応答およびスペクトルモデルの妥当性を検証すること。
• $^{163}$Hoにおける原子の励起状態の緩和過程、特に450 eV付近に見られる説明のつかないスペクトル特徴の理解を深めること。
• 将来的に3 eV未塔のエネルギー分解能を達成し、約26 eVのOII線を観測可能にし、ニュートリノ質量感度を精緻化することを可能にする。

提案手法

• 100 mK未塔の低温で動作する金属磁気カルリメータ（MMCs）を用い、外部磁場下でのパラ磁性金： erbium（Au:Er）センサの磁化変化を測定してエネルギー吸収を検出する。
• $^{163}$Hoを5 nmの深さにイオンドーピングし、190×190×5 µm³の金吸収層に埋め込み、発生エネルギーのほぼ100％の量子効率を確保するため、上部に二重の金層を形成した。
• 2つの検出ピクセルを同時に測定することで、イベントの反一致を用いてバックグラウンドを抑制し、信号の識別性を向上させた。
• 検出器応答は、フォノン損失を考慮したガウス関数と指数的尾部の畳み込みとしてモデル化され、エネルギー分解能$\Delta E_{\text{FWHM}} = 8.3$ eVであった。
• スペクトルフィッティングには、原子遷移に適したローレンツ線形の理論モデルを用い、パラメータ$E_{\mathrm{H}}$、$\Gamma_{\mathrm{H}}$、$B_{\mathrm{H}}$、および$\varphi_{\mathrm{H}}^2(0)$を含む。このモデルは検出器応答と畳み込まれた。
• 微分スペクトルをフィッティングすることで、ラインエネルギー、幅、および高エネルギー尾部から得られる終点エネルギー$Q_{\mathrm{EC}}$を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5s電子捕獲に起因する$^{163}$HoにおけるOI線のエネルギーは何か。また、高精度なカルリメトリック測定が可能か。
• RQ2 高分解能MMCデータから、$^{163}$Hoのスペクトルパラメータ（ライン位置、幅など）はどの程度正確に抽出可能か。
• RQ3 450 eV付近に見られる説明のつかないスペクトル特徴の原因は何か。また、ニュートリノ質量感度にどのような影響を及えるか。
• RQ4 エネルギー分解能を向上させ、約26 eVのOII線を観測可能にするには、どのような検出器の改良が必要か。
• RQ5 固体状態効果および4f電子寄与が、測定されたラインエネルギーが原子結合エネルギーと比べてどの程度ずれるか。

主な発見

• OI線は48 eVで測定され、$^{163}$Hoにおけるこの原子の励起状態遷移線の初回の直接カルリメトリック観測が確認された。
• MMCsのエネルギー分解能は$\Delta E_{\text{FWHM}} = 8.3$ eVと測定され、高精度なスペクトル解析が可能であることが裏付けられた。
• フィットされた終点エネルギー$Q_{\mathrm{EC}} = (2.849 \pm 0.005)$ keVは、以前の測定と整合しており、$^{163}$Hoがニュートリノ質量研究に適していることを支持する。
• フィットから得られたライン幅$\Gamma_{\mathrm{H}}$は理論的予想とよく一致しているが、NII線については統計が低く、NI線と重なりがちなため、幅が大きめに推定された。
• 450 eV付近に説明のつかないスペクトル特徴がデータに残っており、理論モデルでは説明できない。今後の調査が要請される。
• 今後、$\Delta E_{\text{FWHM}} < 3$ eVでフォノン損失を低減したMMCを用いることで、20 eV未塔のエネルギー閾値を達成でき、OII線（約26 eV）の観測が可能になることが示された。