[論文レビュー] Measurement of the double beta decay half-life of Nd-150 and search for neutrinoless decay modes with the NEMO-3 detector

Nasim Fatemi-Ghomi|ArXiv.org|May 5, 2009

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、モンターナ地下研究所に位置するNEMO-3検出器を用いて924.7日分のデータを用い、150Ndの二ニュートリノ双ベータ崩壊の半減期を、これまでで最も高い精度で測定した。その結果、$ T^{2\nu}_{1/2} = (9.11^{+0.25}_{-0.22} \pm 0.62) \times 10^{18} $ 年が得られた。また、ニュートリノを伴わない双ベータ崩壊に対して、90%信頼水準で $ T^{0\nu}_{1/2} > 1.8 \times 10^{22} $ 年という新たな下限を設定し、従来の限界を著しく改善し、有効な電子ニュートリノ質量およびマジョロン-ニュートリノ結合定数の制約を強化した。

ABSTRACT

The half-life for two-neutrino double beta decay of Nd-150 has been measured with data taken by the NEMO 3 experiment at the Modane Underground Laboratory. The limits are also set on the half-life of different neutrinoless double beta decay of this isotope.

研究の動機と目的

• 従来の実験よりも高い精度で、150Ndの二ニュートリノ双ベータ崩壊半減期を測定すること。
• NEMO-3検出器のデータを用いて、150Ndにおけるニュートリノを伴わない双ベータ崩壊の探索を行うこと。
• 質量機構およびマジョロン放出を含む、複数の理論的モードにおけるニュートリノを伴わない双ベータ崩壊の半減期に対する改善された限界を設定すること。
• 特にラドンおよび放射性不純物からの寄与を含め、信号領域への内部および外部バックグラウンド寄与を検証・定量すること。
• 新しい半減期限界から、有効な電子ニュートリノ質量およびマジョロン-ニュートリノ結合定数に対する更新された制約を提供すること。

提案手法

• モンターナ地下研究所に設置されたNEMO-3検出器は、150Ndを高濃度に含む36.55 gの源フィルムを用いて、924.7日分のデータを収集した。
• 粒子の軌跡はトラッキング検出器で再構築され、エネルギー損失はフォトマルチプライヤーと結合したシンチレーション・カルオリメーターで測定された。
• 外部バックグラウンドは、イベントが150Ndフィルムと相互作用する選別を用いて検証され、詳細なシミュレーションとキャリブレーションデータを用いてバックグラウンドをモデル化・差し引いた。
• ニュートリノを伴わない双ベータ崩壊の限界を設定するために、NEMOで初めてプロファイル尤度比法が適用され、2νββバックグラウンド正規化が自由に変動可能となった。
• 系統的不確実性は、トラッキング効率、フィルム位置、バックグラウンド正規化の変更によって評価され、主にトラッキング効率（5%）とフィルム位置（3%）が主要な寄与を示した。
• 特にeγチャンネルでは207Bi、1eチャンネルでは234mPaによるホットスポット領域の特定と除去が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NEMO-3検出器を用いた150Ndの二ニュートリノ双ベータ崩壊半減期の最も正確な測定値は何か？
• RQ2 150Ndにおけるニュートリノを伴わない双ベータ崩壊の半減期に対する新たな下限は何か？また、従来の限界と比べてどう異なるか？
• RQ3 150Nd源における内部および外部バックグラウンドに最も顕著に寄与する核種は何か？
• RQ4 新しい限界は、有効な電子ニュートリノ質量およびマジョロン-ニュートリノ結合定数をどのように制約するか？
• RQ5 150Ndにおける右巻き型カレントおよび励起状態ニュートリノを伴わない双ベータ崩壊モードの半減期に対する、初の限界は何か？

主な発見

• 150Ndの二ニュートリノ双ベータ崩壊半減期は、$ T^{2\nu}_{1/2} = (9.11^{+0.25}_{-0.22} \pm 0.62) \times 10^{18} $ 年と測定され、この核種について世界で最も高い精度の測定結果となった。
• 質量機構に対するニュートリノを伴わない双ベータ崩壊半減期の限界は、90%信頼水準で $ T^{0\nu}_{1/2} > 1.8 \times 10^{22} $ 年であり、従来の限界を著しく改善した。
• マジョロンモード1の崩壊に対する限界は、90%信頼水準で $ T^{0\nu\beta\beta\chi}_{1/2} > 1.6 \times 10^{21} $ 年であり、以前の結果を上回った。
• 有効な電子ニュートリノ質量は、核行列要素の不確実性に応じて $ \langle m_{\nu}\rangle < 1.5-6.3 $ eV に制約された。
• マジョロン-ニュートリノ結合定数は、$ \langle g_{M1}\rangle < (0.64-3.0) \times 10^{-4} $ に制約され、100Moおよび82Seからの限界と整合的であった。
• 150Ndにおける右巻き型カレント、励起状態、および他のマジョロン放出モードのニュートリノを伴わない双ベータ崩壊の半減期に対する、初の限界が設定された。