[論文レビュー] Measurement of radon-induced backgrounds in the NEXT double beta decay experiment

NEXT Collaboration, P. Novella+80 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、NEXT-White二重ベータ崩壊実験におけるアルファ粒子および電子イベントレートを用いて、ラドン誘発背景を測定している。222Rnの特定活動は38.1 ± 2.2（統計）± 5.9（系統）mBq/m³であり、ラドン背景が十分に低く、NEXT-100では予想される年間1件未満の背景率（≤0.1カウント/年）であることが確認された。これは、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索に成功するための条件を満たしている。

ABSTRACT

The measurement of the internal $^{222}$Rn activity in the NEXT-White detector during the so-called Run-II period with $^{136}$Xe-depleted xenon is discussed in detail, together with its implications for double beta decay searches in NEXT. The activity is measured through the alpha production rate induced in the fiducial volume by $^{222}$Rn and its alpha-emitting progeny. The specific activity is measured to be $(38.1\pm 2.2~\mathrm{(stat.)}\pm 5.9~\mathrm{(syst.)})$~mBq/m$^3$. Radon-induced electrons have also been characterized from the decay of the $^{214}$Bi daughter ions plating out on the cathode of the time projection chamber. From our studies, we conclude that radon-induced backgrounds are sufficiently low to enable a successful NEXT-100 physics program, as the projected rate contribution should not exceed 0.1~counts/yr in the neutrinoless double beta decay sample.

研究の動機と目的

• 136Xeを希釈したキセノンを用いたRun-II期におけるNEXT-White時間投影 chamber 内の内部222Rn活動を定量化すること。
• ラドンおよびその崩壊生成物（特に214Bi）が、検出器のフィducialボリューム内での電子およびアルファ背景レートに与える影響を評価すること。
• ラドン誘発背景寄与を予測し、NEXT-100物理学計画の実現可能性を評価すること。
• カソードに付着した生成物からの214Bi電子背景レートを推定するためのアルファ生成レートを代理指標として使用する妥当性を検証すること。
• 次世代トンスケールのNEXT検出器向けに、アクティブフィルタリングシステムを含む将来のラドン低減戦略を策定すること。

提案手法

• フィducialボリューム内での222Rnおよびその崩壊系列からのアルファ生成レートを測定し、222Rnの特定活動を推定した。
• ドリフト長（Z）における電子イベント分布を分析し、高ラドン活動期（E1）および低ラドン活動期（E2）のデータを用いて、カソード付近に局在する214Bi崩壊を同定した。
• 600 keV以上のエネルギー領域における電子のエネルギースペクトルを再構築し、214Bi崩壊に一致する平坦なベータスペクトルであることが判明した。
• 同じ期間のアルファデータを用いてモンテカルロシミュレーションにおける214Bi崩壊のキャリブレーションを行い、電子背景レートの正規化を行った。
• 222Rn活動の外挿とカソード背景除去効率の異なる仮定を用いて、NEXT-100におけるラドン誘発背景レートを予測した。
• 背景推定値の妥当性を検証するため、ドリフト、光学的応答、電子回路の効果を含む、シミュレートされたNEXT-Whiteデータに対する完全な2νββ解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Run-II期における136Xeを希釈したキセノンを用いたNEXT-White検出器内での内部222Rnの特定活動はどの程度か？
• RQ2 特にカソードに付着した214Biを含むラドン生成物が、電子背景にどの程度寄与しているか？
• RQ3 ラドン誘発背景は、検出器材料中の放射性不純物（例：60Co、40K）に起因する背景と比較してどの程度か？
• RQ4 NEXT-100実験におけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索に、ラドン背景がどの程度寄与するか？
• RQ5 アルファ生成レートを用いて、214Bi電子背景レートを信頼性高く推定できるか、系統的不確実性は許容範囲内か？

主な発見

• NEXT-White検出器内での内部222Rnの特定活動は、(38.1 ± 2.2（統計）± 5.9（系統）) mBq/m³で測定された。
• ラドン誘発電子イベントは、カソードに明確に観測され、222Rnの崩壊に一致する時間とともに減少するレートを示した。
• 600 keV以上の電子エネルギースペクトルは平坦であり、214Biベータ崩壊に一致し、ガンマ線ラインの兆候は認められなかった。
• アルファデータからの214Bi電子背景レートは、約20％の系統的不確実性を伴いながらも、成功裏に推定された。
• NEXT-100における0νββ探索のラドン誘発背景レートは、予想される値が≤0.1カウント/年であり、悲観的見積もりでは0.07 ± 0.01カウント/年であった。
• NEXT-Whiteにおけるラドン誘発背景は、2νββイベントに対して(85 ± 14)カウント/年であり、60Co、40K、214Bi、208Tl不純物の合計背景と比較して2桁小さい。