[論文レビュー] Liquid Argon Ionization Detector for Double Beta Decay Studies

V. D. Ashitkov, A. S. Barabash+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2003

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、グラン・サッソ地下研究所で100Moの二ニュートリノ双ベータ崩壊を研究するためにDBA共同研究グループが開発したマルチセクション液体アルゴンイオン化検出器を紹介する。この検出器は、100Moの二ニュートリノ双ベータ崩壊を、半減期 (7.2 ± 0.9(stat) ± 1.8(syst)) × 10^18 yr として初めて観測し、ニュートリノを伴わないモードの新たな上限を設定した。また、90%信頼水準で222Rnの活動度（1.2 × 10^{-3} Bq/kg）および液体アルゴン中の42Ar含有量（4.3 × 10^{-21} g/g）について、世界で最も厳しい上限を確立した。

ABSTRACT

A multisection liquid argon ionization detector was developed by the DBA collaboration to study the double beta- decay of $^{100}$Mo. The experiment was carried out in the Gran Sasso underground laboratory in Italy. The detector design and main characteristics are described. The $ββ(2ν)$ decay of $^{100}$Mo was observed and its half-life measured: $T_{1/2}=[7.2 \pm 0.9(stat) \pm 1.8(syst)] imes 10^{18}$ yr. Limits on the 0$ν$ and 0$νχ^{0}$ modes of the decay were obtained: $T_{1/2}> 8.4(4.9) imes 10^{21}$ yr and $T_{1/2}> 4.1(3.2) imes 10^{20}$ yr at 68% (90%) C.L., respectively. In addition the upper limits on the $^{42}$Ar content and $^{222}$Rn activity in liquid Ar were found to be $4.3 imes 10^{-21}$ g/g and $1.2 imes 10^{-3}$ Bq/kg, respectively.

研究の動機と目的

• 液体アルゴンイオン化検出器を用いて100Moにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）を探索すること。
• 核行列要素の計算のベンチマークとして、100Moの二ニュートリノ双ベータ崩壊（2νββ）の半減期を測定すること。
• 将来的な大規模液体アルゴン検出器にとって重要なバックグラウンド源である、42Arおよび222Rnを含む液体アルゴン中の放射性不純物に対する厳密な上限を設定すること。
• 深地中環境下におけるレア崩壊探索に適した高純度液体アルゴンイオン化検出器の実現可能性と性能を示すこと。

提案手法

• チタンおよびフロロプラスチック素材を用いたマルチセクション液体アルゴンイオン化検出器を構築し、14個のアノード、15個のアノード、28個のスクリーニンググリッドを用いて感度領域を定義した。
• 真空断熱システムを介して液体窒素で冷却し、液体アルゴンの温度を安定に保ち、沸騰損失を1時間あたり6 Lに低減した。
• 高電圧電極（アノードに−4.8 kV、グリッドに−2 kV）および電荷感度プリアンプを用いて、電子線跡からのイオン化電荷を高精度で収集した。
• 被動的 lead 補償、ラドン保護、および0νββおよび0νχ⁰探索のための1電子あたり1 MeVのエネルギー閾値を設定することで、バックグラウンドを抑制した。
• データ取得には100 nsのサンプリングレートを持つ16ビットADCシステムを用い、電荷パルスを記録することで、エネルギーおよび波形の識別が可能となり、イベント同定を可能にした。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、2νββ（2.2%）、0νββ（6.9%）、0νχ⁰（5.7%）の各崩壊モードの検出効率を計算した。液体アルゴン内またはアノード上への崩壊源の分布に関する仮定を設けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体アルゴン中における100Moの二ニュートリノ双ベータ崩壊の半減期は何か？
• RQ2 100Moのニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の半減期に対する下限は何か？
• RQ3 単一電子バックグラウンドスペクトルから得られる、液体アルゴン中の42Ar含有量および222Rn活動度の上限はそれぞれ何か？
• RQ4 被動的補償とエネルギー閾値設定の組み合わせは、0νββおよび0νχ⁰崩壊探索におけるバックグラウンド抑制にどの程度効果的か？
• RQ5 モリブデン箔に含まれる放射性不純物は、半減期測定における系統的不確実性にどの程度寄与するか？

主な発見

• 100Moの二ニュートリノ双ベータ崩壊が、半減期 (7.2 ± 0.9(stat) ± 1.8(syst)) × 10^18 yr として観測された。
• 100Moの0νββ崩壊モードの半減期に対する下限は、68%信頼水準で T₁/₂ > 8.4 × 10^21 yr、90%信頼水準で > 4.9 × 10^21 yr であった。
• 100Moの0νχ⁰崩壊モードの半減期に対する下限は、68%信頼水準で T₁/₂ > 4.1 × 10^20 yr、90%信頼水準で > 3.2 × 10^20 yr であった。
• 液体アルゴン中の222Rn活動度の上限は、90%信頼水準で 1.2 × 10^{-3} Bq/kg であった。これは世界で最も厳しい実験的上限である。
• 液体アルゴン中の42Ar含有量の上限は、90%信頼水準で 4.3 × 10^{-21} g/g であった。これも世界で最も厳しい上限であった。
• 検出器は液体アルゴン純度 1.9 × 10^{-9} equiv.O₂ を達成し、稀な過程の探索に適した高純度運用の可能性を裏付けた。