[論文レビュー] LEGEND: The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double-Beta Decay

Jordan Myslik|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

LEGENDは、GERDAおよびMajorana Demonstrator技術の超低バックグラウンドおよび高エネルギー分解能を活用して、76Geを用いた段階的でトン級の0νββ崩壊探索実験を提案する。共同研究チームは、200 kgを既存のGERDA冷凍タンクに設置するLEGEND-200で10^28年を超える発見可能性を達成し、1000 kgのLEGEND-1000にスケーリングする。それぞれのバックグラウンド目標は<0.6および<0.1 counts/(FWHM·t·y)である。

ABSTRACT

The lepton number violating process of neutrinoless double-beta decay could result from the physics beyond the Standard Model needed to generate the neutrino masses. Taking different approaches, the current generation of $^{76}$Ge experiments, the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, lead the field in both the ultra-low background and energy resolution achieved. The next generation of neutrinoless double-beta decay experiments requires increased mass and further reduction of backgrounds to maximize discovery potential. Building on the successes of the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, the LEGEND collaboration has been formed to pursue a tonne-scale $^{76}$Ge experiment, with discovery potential at a half-life beyond $10^{28}$ years. The collaboration aims to develop a phased neutrinoless double-beta decay experimental program, starting with a 200 kg measurement using the existing GERDA cryostat at LNGS. These proceedings discuss the plans and physics reach of LEGEND, and the combination of R&amp;D efforts and existing resources being employed to expedite physics results.

研究の動機と目的

• 反転ニュートリノ質量順序を調べるため、質量を増大させるとともにバックグラウンドを低減した次世代0νββ崩壊実験の必要性に対応する。
• GERDAおよびMajorana Demonstratorの実証済み技術を活用し、開発期間を短縮するとともにバックグラウンド抑制を最大化する。
• 高純度なGe検出器を段階的に設置することで、0νββ崩壊半減期の3σ発見可能性を10^28年以上に達成する。
• 宇宙線および固有の放射能由来のバックグラウンドを低減するため、検出器設計、フロントエンド電子回路、シールドを最適化する。
• LEGEND-200の物理的成果を早期に得るとともに、LEGEND-1000への技術的勢いを維持するため、LNGSの既存インfraを活用する。

提案手法

• LNGSの既存GERDA冷凍タンクに、200 kgまでの高純度76Ge検出器を設置し、液体アルゴンを能動的遮蔽および遮蔽材として用いる。
• 放射能が低い材料を用いた低質量フロントエンド（LMFE）電子回路を導入し、電子的バックグラウンドを低減するとともにエネルギー分解能を保持する。
• 逆軸点接触（ICPC）Ge検出器（1.5–2.0 kg/台）を採用することで、kgあたりのケーブルおよびプリアンプの数を削減し、バックグラウンド寄与を低減する。
• LEGEND-1000では、天然アルゴンに含まれる42Kイオンによるバックグラウンドを排除するため、42Arを除去した地下由来アルゴンを用いる。
• パルス波形解析およびガンマ線連続検出を用いて、表面および複数点発光イベントを拒否し、信号純度を向上させる。
• 将来のLEGEND-1000を支援するため、ASICプリアンプの研究開発を進めるとともに、液体アルゴン内での光収率を向上させるための効果的なシンチレーション繊維および純度向上策を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 段階的76Ge実験は、現実的なバックグラウンドレベルのもとで、0νββ崩壊半減期の3σ発見可能性を10^28年以上に達成できるか？
• RQ2 LNGSの既存GERDA冷凍タンクは、バックグラウンドが0.6 counts/(FWHM·t·y)未満の200 kgの高純度Ge検出器アレイを支持できるか？
• RQ3 1000 kgの高純度76Geにスケーリングする際、バックグラウンドを最小限に抑える最適な検出器ジオメトリとシールド戦略は何か？
• RQ4 将来の大規模実験において、天然アルゴン由来の42Kイオンバックグラウンドはどのようにして排除できるか？
• RQ5 放射能が低く質量の小さいフロントエンド電子回路（例：LMFE）は、液体アルゴン環境でも優れたエネルギー分解能と低ノイズを維持できるか？

主な発見

• LEGEND-200は、<0.6 counts/(FWHM·t·y)のバックグラウンドレベルを達成し、1トン・年露光で10^27年以上の感度を実現する予定である。
• LEGEND-200実験は、2021年に物理的データ収集を開始する予定であり、既存のGERDA冷凍タンクおよびインfraを活用する。
• 1000 kgのLEGEND-1000段階は、10^28年以上の発見可能性を達成するための<0.1 counts/(FWHM·t·y)のバックグラウンド目標を設定している。
• 逆軸点接触（ICPC）検出器設計により、1.5–2.0 kgの大型検出器を実現でき、BEGeおよびPPCタイプと同等の性能を発揮し、部品数とバックグラウンドを低減できる。
• LEGEND-1000で42Arを除去した地下アルゴンを用いることで、天然アルゴン由来の42Kイオンバックグラウンドを完全に排除できる。
• ASICプリアンプの研究開発および液体アルゴン内での光収率の向上に関する研究開発は継続中であり、将来のスケーラビリティと性能向上を支援する。