[論文レビュー] GENIUS - a Supersensitive Germanium Detector System for Rare Events

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus, L. Baudis+3 more|ArXiv.org|Oct 1, 1999

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 11被引用数 28

ひとこと要約

GENIUSは、超純粋な液体窒素を用いた、極めて感度の高いゲルマニウム検出器システムを提案し、予想をはるかに上回るバックグラウンド抑制を実現することで、ダークマター（例：ニュートリノの候補）やニュートリノ無双ベータ崩壊のような希少過程の直接検出を可能にする。バックグラウンドレベルは10⁻³イベント/kg·y·keVにまで低下させることを目的とし、1トンの強化されたゲルマニウムを用いることで、メジャノワニュートリノ質量の感度を0.01 eVまで達成し、太陽のppニュートリノのリアルタイム観測を可能にする。

ABSTRACT

To increase by a major step the present sensitivity for dark matter and double beta decay search, a new project is suggested, which would operate 'naked' GErmanium detectors in liquid NItrogen as shielding in an Underground Setup (GENIUS). In a first step using 100 kg of natural Ge a large part of the MSSM parameter space for prediction of neutralinos as cold dark matter will be covered making the experiment complementary to LHC in the search for supersymmetry. In the second step use of one ton of enriched 76Ge would yield a sensitivity for double beta decay for the effective Majorana neutrino mass of \0.01 eV. This would be a breakthrough for neutrino physics. GENIUS would also be a breakthrough into the multi-TeV range for many other beyond standard models currently discussed, and the sensitivity would be comparable or even superior to LHC or NLC for various quantities such as right-handed W boson mass, R-parity violation, leptoquark or compositeness searches, or left-handed heavy neutrinos.

研究の動機と目的

• 宇宙論および素粒子物理学における、バリオンでないダークマターおよびニュートリノ質量の根本的問題に取り組む。
• 低エネルギー領域におけるバックグラウンドレベルを10⁻³イベント/kg·y·keV未満に抑えることで、希少過程の検出を可能にする。
• 1トンの強化された76Geを用いて、有効なメジャノワニュートリノ質量を0.01 eVまで探査する。
• 100 kgのゲルマニウム検出器を用いて、pp太陽ニュートリノのリアルタイム検出を可能にする。
• R-カバレッジの破れ、複合性、ニュートリノ系における特殊相対性理論の検証を含む、標準模型を超える素粒子物理学を探索する。

提案手法

• 検出器は、バックグラウンドを最小限に抑えるために、超純粋なゲルマニウム結晶を超高純度液体窒素に直接浸漬ける。
• システムは同心構造のステンレス鋼タンクで構成され、内側の容器は液体窒素を、外側の容器はボロンドープされた断熱材で中性子遮蔽を実現する。
• テフロンベースの保持装置により、最大6層にのぼる40個のゲルマニウム結晶を支持し、放射性汚染を最小限に抑える。
• 材料選定、遮蔽、地下での生産による宇宙線誘発活性の低減を通じて、バックグラウンド源をシミュレーションし、低減する。
• 気密溶接、圧力安全装置、窒素フラッシングを備え、湿気の侵入を防止する。
• タンク上部にクリーンルーム、データ取得システム、ミューオン遮断システムを設置し、運用の純度を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲルマニウム検出器システムは、MSSMパrameter空間内のダークマター候補（例：ニュートリノ）を検出できるほど十分に低いバックグラウンドレベルを達成できるか？
• RQ2 ニュートリノ無双ベータ崩壊実験において、76Geを用いた場合の最小検出可能な有効メジャノワニュートリノ質量は何か？
• RQ3 GENIUS検出器は、太陽ニュートリノ物理学における重要な目標である、pp太陽ニュートリノのリアルタイム観測を可能にするか？
• RQ4 液体窒素遮蔽、ボロンドープ断熱材、材料純化の組み合わせが、バックグラウンドイベントの抑制にどの程度効果的か？
• RQ5 GENIUSは、右巻きWボソンやR-カバレッジの破れのような、標準模型を超える新しい物理をどの程度探査できるか？

主な発見

• GENIUS検出器は、11–100 keV領域で6.1 × 10⁻²イベント/kg·y·keVのバックグラウンドレベルを達成しており、これは過去の実験と比べて2桁以上も低減されたものである。
• 2年間の運用後、68Geの崩壊に伴いバックグラウンドはさらに低下し、1 × 10⁻²イベント/kg·y·keVにまで低下すると予想される。
• システムは10⁻³イベント/kg·y·keVのバックグラウンドレベルに到達するように設計されており、1トンの強化76Geを用いることで、有効メジャノワニュートリノ質量の感度を0.01 eVまで達成可能である。
• シミュレーション結果はキエフ研究グループによって独立的に確認され、バックグラウンドモデルおよび設計仮定の妥当性が裏付けられた。
• 設計により、天然ゲルマニウム100 kgのみで、pp太陽ニュートリノのリアルタイム検出が可能である。
• 施設は技術的に実現可能であり、グランサソやWIPPなどの地下実験施設へのアクセスを想定した場合、検出器の製作および設置スケジュールが確認されている。