[論文レビュー] Multi-layer scintillation detector for the MOON double beta decay experiment: Scintillation photon responses studied by a prototype detector MOON-1

Hiroaki Nakamura, P. J. Doe+51 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、高感度なニュートリノ無双ベータ崩壊（0νββ）実験を目的とした、マルチレイヤー・プラスチックシンチレーション検出器であるMOON-1プロトタイプ検出器を提案する。100MoのQ値（3.034 MeV）において、エネルギー分解能2.9±0.1%（FWHMで6.8±0.3%）を達成し、逆ヘリシティニュートリノ質量スケールに30 meVの感度を達成する可能性を示した。

ABSTRACT

An ensemble of multi-layer scintillators is discussed as an option of the high-sensitivity detector Mo Observatory Of Neutrinos (MOON) for spectroscopic measurements of neutrino-less double beta decays. A prototype detector MOON-1, which consists of 6 layer plastic-scintillator plates, was built to study the sensitivity of the MOON-type detector. The scintillation photon collection and the energy resolution, which are key elements for the high-sensitivity experiments, are found to be 1835+/-30 photo-electrons for 976 keV electrons and sigma = 2.9+/-0.1% (dE/E = 6.8+/-0.3 % in FWHM) at the Qbb ~ 3 MeV region, respectively. The multi-layer plastic-scintillator structure with good energy resolution as well as good background suppression of beta-gamma rays is crucial for the MOON-type detector to achieve the inverted hierarchy neutrino mass sensitivity.

研究の動機と目的

• マルチレイヤー・プラスチックシンチレーション検出器が、高感度なニュートリノ無双ベータ崩壊（0νββ）実験に実現可能であることを示すこと。
• 6枚のプラスチックシンチレーター・レイヤーを有するプロトタイプ検出器（MOON-1）において、シンチレーション光子収率とエネルギー分解能を測定すること。
• 3.034-MeVのQ値における0νββ崩壊を検出するために必要なエネルギー分解能とキャリブレーション性能を検証すること。
• コンプトン散乱電子とγ線の一致検出を用いて、バックグラウンド抑制能力を評価すること。

提案手法

• 53×53×1 cm³のプレートを有する6レイヤーのプラスチックシンチレーター・プロトタイプ（MOON-1）を構築し、側面の82%をカバーする56個のPM Tを設置した。
• 976 keVの電子と2.615 MeVのγ線への応答を測定するために、⁹⁷Ruおよび²⁰⁸Tlの放射性核種を用いた。
• プラスチックシンチレーター（PL3）とNaI(Tl)検出器（ID4）におけるエネルギー損失の和を用いて、2.615 MeVのγ線ピークを再構成する新規な手法を採用した。
• 再構成されたγ線イベントのピークフィッティングによりエネルギー分解能を測定し、分解能はσ/E = Vとして表した。
• 976 keVの電子線および2.615 MeVのγ線ピークを用いてエネルギー応答をキャリブレーションした。
• 光電子出力と分解能への寄与要因（光子統計と内在的検出器効果）を特定するために、統計解析を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチレイヤー・プラスチックシンチレーション検出器システムは、3.034 MeVのQ値における0νββ崩壊検出に必要なエネルギー分解能（約3%）を達成できるか？
• RQ2 側面にPM Tを設置した大面積マルチレイヤー・プラスチックシンチレーション検出器システムにおける、実際のシンチレーション光子収率はどの程度か？
• RQ3 プラスチックシンチレーター内のコンプトン散乱電子とNaI(Tl)検出器内のγ線の一致検出により、2.615 MeVのγ線ピークを正確に再構成できるか？
• RQ4 プラスチックシンチレーターにエネルギーが蓄積されるに従い、エネルギー分解能はどのように変化するか？ また、3.034 MeV領域への外挿は可能か？
• RQ5 エネルギーおよび一致フィルタリングを用いた場合、検出器はバックグラウンドイベントをどの程度効果的に抑制できるか？

主な発見

• MOON-1プロトタイプは、976 keVの電子に対して1835±30の光電子を収率した。これはシンチレーション出力、PM Tのカバレッジ、量子効率に基づく予測と整合的であった。
• 100MoのQ値3.034 MeVにおけるエネルギー分解能はV = 2.9±0.1%（FWHMで6.8±0.3%）と測定され、逆ヘリシティニュートリノ質量に30 meVの感度を達成する要件を満たした。
• 1 MeVにおける分解能はV = 5.0±0.2%（FWHMで11.9±0.5%）であり、主に光電子出力の統計的フラクチュエーションに起因していた。
• 分解能性能は、統計的要因と内在的検出器要因の組み合わせと整合的であり、材料および製造プロセスの最適化によりさらなる改善が可能であることが示唆された。
• PL3とNaI(Tl)検出器間の一致検出により、2.615 MeVのγ線ピークが効果的に再構成され、正確なエネルギーキャリブレーションが可能となった。
• MOON-1の設計は、100×100 cm²のフルサイズMOON検出器にスケーラブルであり、シンチレーター内での光子減衰が3%未満にとどまっていることから、実現可能である。