[論文レビュー] LEGEND-1000 Preconceptual Design Report

LEGEND Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

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ひとこと要約

LEGEND-1000は、活性液体アルゴンシールドを備えたトン規模の76Geベースのニュートリノ質量非同位体崩壊実験を構築し、半減期10^28年以上の発見感度に達し、逆序列領域のニュートリノ質量を探る。

ABSTRACT

Parallel talk presented at the XXI International Workshop on Neutrino Telescopes - Padova 29 September - 3 October 2025 (https://agenda.infn.it/event/44606/) On behalf of the LEGEND Collaboration Abstract: The LEGEND experiment searches for the neutrinoless double-beta (0νββ) decay of Ge-76 using isotopically-enriched high-purity germanium (HPGe) detectors with the ultimate discovery sensitivity beyond a half-life of 10^28 years. The project is conducted in stages. The first one, LEGEND-200, was steadily accumulating physics data at LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy) for more than one year with 140 kg of HPGe detectors. In 2024 the Collaboration unblinded the first data to check the sensitivity of the experiment and study the composition of the LEGEND-200 background, which was slightly higher than predicted based on screening measurements of the components. The detector array was subsequently disassembled to investigate the source of the elevated background, with nearby components undergoing re-cleaning and/or replacement as necessary. LEGEND-200 is scheduled to resume data taking in 2025. In this talk we will present the performance of the ongoing experiment and give an update on the status of its second phase: LEGEND-1000. Funds: This work is supported by the U.S. DOE and the NSF, the LANL, ORNL and LBNL LDRD programs; the European ERC and Horizon programs; the German DFG, BMBF, and MPG; the Italian INFN; the Polish NCN and MNiSW; the Czech MEYS; the Slovak RDA; the Swiss SNF; the UK STFC; the Canadian NSERC and CFI; the LNGS and SURF facilities.

研究の動機と目的

• 濃縮76Ge検出器を用いた0νββのトン規模探索を動機づけ、正当化する。
• これまでの Gerda および Majorana Demonstrator の革新を活用して、LEGEND-1000のベースライン設計を定義する。
• 逆順序のニュートリノ質量領域を覆う発見潜在性と背景目標を定量化する。
• 検出器、遮蔽、地下研究所要件を含むモジュラーなLEGEND-1000アプローチの概要を示す。

提案手法

• 76Geに対して>90%に濃縮されたGe検出器1000 kgを、約400個のICPC結晶を含む4つの250 kgモジュールに配置して利用する。
• Ge検出器を放射性物質を含まない地下液体アルゴン（UGLAr）に浸漬し、活性シールドとして使用し、LArの閃光を背景排除に用いる。
• QββでFWHM約0.12%の優れたエネルギー分解能を達成し、パルス形状識別を適用してバルクの0νββイベントを背景と分離する。
• 検出器の粒度とLArヴォイトを活用した多変量イベントトポロジー識別を用い、背景を<1×10^-5 cts/(keV kg yr)に抑制する。
• 質量を拡張し分解能を維持するため、 inverted-coaxial point-contact検出器を用いたLEGEND-200の経験を踏まえて段階的に導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 予測される背景とエネルギー分解能を考慮した場合、76Geにおける0νββ崩壊に対するLEGEND-1000の発見潜在性はどの程度か？
• RQ2 およそ10年で、1000 kgの76Ge群が0νββ半減期感度を10^28年超に達し、mββを9–21 meVレンジまで探査できるか？
• RQ3 検出器設計、能動LAr遮蔽、地下位置が背景抑制と信号抽出に及ぼす影響はどうなるか？
• RQ4 準背景ゼロ運用を達成するために必要な施設、材料、およびデータ解析アプローチは何か？
• RQ5 4モジュール、400検出器アレイを段階的に導入する実現性と計画はどうなるか？

主な発見

• LEGEND-1000は、10^28年以上の半減期を超える0νββで、3σ信号を観測する確率が50%となる、99.7% CLの発見感度を目標とする。
• 予測されるmββ感度は、逆 ordering における10年のライブタイムで9–21 meVのレンジである。
• 背景目標は、複数の低減戦略（ICPC検出器、LArヴォイト、UG LAr、超クリーン材料）を通じて<1×10^-5 counts/(keV kg yr)以下である。
• 設計はLEGEND-200の開発を基に、結晶あたり質量を>2×にし、優れたエネルギー分解能を実現して、準背景ゼロに近い探索を可能にする。
• 実験系は、Qββで完全に含まれた単一サイトのエネルギー沈下を重視し、同時の検出器信号がないことを0νββの署名とする。