[論文レビュー] First result from KamLAND-Zen : Double beta decay with 136-Xe

A. Gando|arXiv (Cornell University)|May 28, 2012

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

KamLAND-Zenは、半減期が$T_{1/2}^{2\nu} = 2.38 \pm 0.02_{\text{stat}} \pm 0.14_{\text{syst}} \times 10^{21}$ yrの136Xeの二ニュートリノ双ベータ崩壊の最初の高精度測定を報告した。これはEXO-200の結果と整合的であり、以前の上限を下回っている。90%信頼水準（C.L.）におけるニュートリノ無し双ベータ崩壊の半減期に対する新たな下限は$T_{1/2}^{0\nu} > 5.7 \times 10^{24}$ yrであり、前回の実験に比べて5倍の感度向上を達成し、有効なメジャノナニュートリノ質量を0.3–0.6 eVに制限した。

ABSTRACT

We present the first result of the KamLAND-Zen experiment, measurement of 136-Xe double-beta decay. In an exposure of 77.6 days with 129 kg of 136-Xe, two-neutrino double-beta decay half-life is measured precisely to be T_{1/2}^{2ν} = 2.38 +/- 0.02(stat) +/- 0.14(syst) x 10^{21} yr. This value is consistent with the measurement by EXO-200 and significantly below the lower limit obtained by previous experiment. For the neutrinoless double-beta decay half-life, improved lower limit is set to T_{1/2}^{0ν} > 5.7 x 10^{24} yr at 90% C.L. and corresponding upper limit of the effective neutrino mass is ranged to 0.3-0.6 eV depending on the adopted nuclear matrix elements.

研究の動機と目的

• 大規模な液体シンチレーション検出器を用いて、136Xeの二ニュートリノ双ベータ崩壊半減期を高精度で測定すること。
• ニュートリノ無し双ベータ崩壊半減期の新たな下限を設定し、ニュートリノのメジャノナ性を調べること。
• 76Geにおける0νββ崩壊観測の主張（KKDC主張）を検証するために、136Xeにおいて類似の信号が存在するかを調査すること。
• 低バックグラウンド環境下で、同位体の分離、アクティブシールド、およびフィducialボリュームの定義を通じてバックグラウンド寄与を低減すること。
• 系統的不確かさと汚染物質バックグラウンドを低減することで、有効なメジャノナニュートリノ質量への感度を向上させること。

提案手法

• 実験は、1.54mの半径をもつ内側のバルーンに129kgの136Xeを溶解させ、その周囲に6.5mの半径をもつ外側の液体シンチレーション体積を設置している。
• 二重ベータ崩壊イベントからのシンチレーション光は、ステンレス鋼タンクに取り付けられた1,879個のフォトマルチプライヤートーブ（PMT）で検出され、光電子数とタイミング補正を用いてエネルギー再構築が可能である。
• エネルギー補正は、208Tl、214Bi、およびスパラレーション中性子を用いて実施され、ゲイン、透過率、および位置依存応答の補正が行われる。
• バックグラウンドは、制約付きおよび非制約付きパラメータを用いてモデル化されている。既知の核種（85Kr、40K、210Bi、U/Th系列）は測定済みの崩壊率に基づいて制約され、潜在的な0νββバックグラウンド（110Ag、208Biなど）は自由パラメータとして扱われる。
• エネルギースペクトル（0.5–4.8 MeV）に対して、2νββ崩壊、0νββ崩壊、およびバックグラウンド成分を同時にフィットするための尤度関数が用いられ、時間依存χ²解析によりバックグラウンドの安定性が評価される。
• フィducialボリュームおよび検出器応答は、内部放射源および外部チェレンコフ検出器を用いて補正され、RnおよびCsの汚染はウェブカメラとトレーサーを用いて監視される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 136Xeの二ニュートリノ双ベータ崩壊の正確な半減期は何か？ また、以前の測定値とどのように比較できるか？
• RQ2 KamLAND-Zen実験は、76Ge実験で報告された論争の激しい0νββ崩壊信号（KKDC主張）を除外または確認できるか？
• RQ3 136Xeのニュートリノ無し双ベータ崩壊半減期に対する改善された下限は何か？ そして、これは有効なメジャノナニュートリノ質量にどのような意味を持つのか？
• RQ4 137Cs、134Cs、222Rnなどの核種からのバックグラウンド寄与は、0νββ崩壊への感度にどのように影響するか？ また、解析ではどのように制約されているか？
• RQ5 今後のデータ取得フェーズにおいて、フィducialボリュームおよびエネルギースケールの系統的不確かさはどの程度低減可能か？

主な発見

• 136Xeの二ニュートリノ双ベータ崩壊半減期は$T_{1/2}^{2\nu} = 2.38 \pm 0.02_{\text{stat}} \pm 0.14_{\text{syst}} \times 10^{21}$ yrとして測定され、EXO-200の結果と整合的であり、DAMAによる以前の下限$1.0 \times 10^{22}$ yrを著しく下回っている。
• 90%信頼水準（C.L.）におけるニュートリノ無し双ベータ崩壊半減期の下限は$T_{1/2}^{0\nu} > 5.7 \times 10^{24}$ yrであり、前回の実験に比べて5倍の感度向上を達成した。
• 有効なメジャノナニュートリノ質量の上限は、QRPAおよびシェルモデルの核行列要素モデルに応じて0.3–0.6 eVに制限された。
• 0νββ領域（2.2–3.0 MeV）に顕著な過剰は観測されず、90% C.L.での上限は15イベントに留まり、1イベント率は< 0.034 (トン・日)⁻¹に相当する。
• 110Ag、208Bi、88Y、60Coからのバックグラウンドは合計で$0.22 \pm 0.04$ (トン・日)⁻¹に制限され、時間依存性は顕著に観測されなかった。
• 福島原発事故由来の汚染（134Csおよび137Cs）が内側のバルーンに検出されたが、その活動比は土壌測定値と一致しており、136Xeのスパラレーションによる現場生成とは矛盾する。