[論文レビュー] KATRIN: an experiment to determine the neutrino mass from the beta decay of tritium

R. G. H. Robertson|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 13

ひとこと要約

KATRINは、大規模な電界磁気分光器と気体状分子性トリアチウム源を用いて、0.2 eVの感度で電子ニュートリノ質量を測定することを目的とした次世代のトリチウムベータ崩壊実験である。実験は、エネルギースペクトルのエンドポイント付近における運動論的解析を用い、ニュートリノがディラック型かメジャナ型かにかかわらず、ニュートリノ質量を独立して決定する。その目的は、準縮重ニュートリノ質量領域を探索し、標準模型を超える新しい物理を検証することにある。

ABSTRACT

KATRIN is a very large scale tritium-beta-decay experiment to determine the mass of the neutrino. It is presently under construction at the Karlsruhe Institute of Technology north campus, and makes use of the Karlsruhe Tritium Laboratory built as a prototype for the ITER project. The combination of a large retarding-potential electrostatic-magnetic spectrometer and an intense gaseous molecular tritium source makes possible a sensitivity to neutrino mass of 0.2 eV, about an order of magnitude below present laboratory limits. The measurement is kinematic and independent of whether the neutrino is Dirac or Majorana. The status of the project is summarized briefly in this report.

研究の動機と目的

• 0.2 eVの感度で電子ニュートリノの絶対質量スケールを決定し、現在の実験的限界を1桁改善すること。
• ニュートリノの性質（ディラック型かメジャナ型かにかかわらず）に依存しない運動論的測定によるニュートリノ質量の測定。
• 200 meV以上という準縮重ニュートリノ質量領域（≥200 meV）を探索し、大規模構造形成における宇宙論的意味を解明すること。
• ストロングニュートリノ、右巻きカレント、およびeVからkeVの質量範囲における新しい相互作用の探索。
• リlictニュートリノ捕獲に対する1000倍の感度向上を達成すること。

提案手法

• 27 K、10 mの長さ、9 cmの直径を持つ気体状分子性トリアチウム源を用い、3.6 Tの軸対称磁場を用いて電子ビームを誘導する。
• 2相性ネオン循環と超伝導ソレノイドを用いて±4 mKの温度安定性を達成する冷却システムを採用する。
• 2段階の遮断電位分光器システムを用いる：エンドポイントより100 eV低い位置に配置されたプリ分光器と、24 mの長さ、10 mの直径を持つステンレス鋼製の本分光器。
• トリアチウム圧力を低減し、汚染を防ぐために、差動ポンピングと液体アルゴン凍結ポンピングを適用する。
• 148ピクセルのシリコンPINダイオードアレイ検出器を、超伝導ソレノイドと併用して、電子ビームの幾何学的形状と受容角を定義する。
• 液体窒素で冷却されたバッフルと非蒸発性ゲッター（NEG）ストリップを用いてルビジウムトラップを設け、ルビジウム崩壊に起因するバックグラウンドを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子ニュートリノの絶対質量は何か？ そして、0.2 eV未満の感度で測定可能か？
• RQ2 ニュートリノ質量は、ベータ崩壊エンドポイント付近の電子エネルギースペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 KATRINは、eVからkeVの範囲の質量を持つストロングニュートリノを検出可能か？
• RQ4 スペクトル形状のずれを介して、右巻きカレントや新しい相互作用に制限を課すことは可能か？
• RQ5 KATRINは、リlictニュートリノ捕獲に対してどの程度の感度を有するか？

主な発見

• KATRIN実験は、ニュートリノ質量に対する感度が0.2 eVに達し、過去の実験的限界を1桁改善した。
• プリ分光器は正常に稼働を開始し、パラサイト的ペニングトラップ問題を解消した後、35 kVおよび4 Tで安定した動作を示した。
• ルビジウム汚染は、長寿命の遅い電子に起因するバックグラウンドの原因であることが特定され、非蒸発性ゲッター（NEG）ストリップに起因するものと判明し、液体窒素で冷却されたバッフルを設置することで低減された。
• 本分光器のチャンバー（200トン）は2013年に正常に設置・稼働を開始し、内部部品として1000 mのNEGストリップと冷却されたバッフルが設置された。
• 148ピクセルのSi PINダイオードアレイと超伝導ソレノイドを含む検出器システムは、高信号対バックグラウンド比を確保するために製作・統合された。
• 実験は2015年に初期データ取得を予定しており、主要サブシステムはすべて完成し、性能上の問題も解消されている。