[論文レビュー] Neutrino mass calorimetric searches in the MARE experiment

A. Nucciotti|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

MARE実験は、低温マイクロカロリメータを用いたカロリメトリック手法を提案し、187Reおよび163Ho同位体を用いて電子ニュートリノ質量を0.1 eV未塔の感度で直接測定することを目的としている。これは、ベータ崩壊する同位体を検出器に直接埋め込み、ニュートリノが運ぶエネルギー以外のすべての崩壊エネルギーを測定することで、系統的不確実性を最小限に抑え、最適化された検出器アレイとパイルアップ低減技術を用いて、統計的感度0.1 eVを達成する。

ABSTRACT

The international project ``Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment'' (MARE) aims at the direct and calorimetric measurement of the electron neutrino mass with sub-electronvolt sensitivity. Calorimetric neutrino mass experiments measure all the energy released in a beta decay except for the energy carried away by the neutrino, therefore removing the most severe systematic uncertainties which have plagued the traditional and, so far, more sensitive spectrometers. Calorimetric measurements are best realized exploiting the thermal detection technique. This approach uses thermal microcalorimeters whose absorbers contain a low transition energy Q beta decaying isotope. To date the two best options are 187Re and 163Ho. While the first beta decays, the latter decays via electron capture, but both have a Q value around 2.5 keV. The potential of using 187Re for a calorimetric neutrino mass experiment has been already demonstrated. On the contrary, no calorimetric spectrum of 163Ho has been so far measured with the precision required to set a useful limit on the neutrino mass. In this talk we present the status and the perspectives of the MARE project activities for the active isotope selection and the single channel development. We also discuss the neutrino mass statistical sensitivity achievable with both isotopes.

研究の動機と目的

• 従来の分光器と比較して、系統的不確実性を最小限に抑えた直接的かつカロリメトリックな電子ニュートリノ質量測定法の開発。
• 187Reおよび163Hoを熱的マイクロカロリメータで用いる場合の、ニュートリノ質量感度への実現可能性を評価・比較すること。
• 大規模な検出器アレイにおける検出器設計、エネルギー分解能、およびパイルアップ低減の最適化により、0.1 eV未塔の統計的感度を達成すること。
• 最終的な大規模MARE実験に最適な同位体および検出器技術（例：TES、MMC、MKID）を特定すること。
• 将来のニュートリノ質量測定に向けた163Hoの遷移エネルギーおよび原子パラメータを検証すること。

提案手法

• ベータ崩壊する同位体187Reまたは163Hoを熱的マイクロカロリメータの吸収体に直接埋め込み、ニュートリノが運ぶエネルギー以外のすべての崩壊エネルギーを測定すること。
• 遷移端センサー（TES）、金属磁性カロリメータ（MMC）、または運動インダクタンス検出器（MKID）などの低温検出器を用い、高エネルギー分解能を達成すること。
• 活動度、バックグラウンド、パイルアップ、エネルギー・時間分解能を考慮した統計モデルを用いて、ニュートリノ質量感度を推定すること。
• 163Hoのパイルアップスペクトルをシミュレートし、エンドポイント感度およびスペクトル歪みへの影響を評価すること。
• エネルギー分解能および時間分解能を維持したまま、検出器アレイのスケーリングを実現する多重化読み出し方式の設計。
• MARE-1フェーズ実験を実施し、163Hoスペクトルを正確に測定し、QEC値および原子パラメータを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 163Hoの複雑なパイルアップスペクトルおよび未知のQEC値を考慮しても、カロリメトリックニュートリノ質量実験に有効に利用可能か？
• RQ2 最適化されたマイクロカロリメータアレイを用いた187Reおよび163Hoによる統計的感度はどの程度達成可能か？
• RQ3 パイルアップ効果および検出器分解能は、低Qベータ崩壊カロリメトリック測定における感度にどのように制限を及えるか？
• RQ4 TES、MMC、MKIDのうち、最終的なMARE実験に最も適した性能を示す検出器技術はどれか？
• RQ5 ニュートリノ質量の0.1 eVの統計的感度を達成するには、必要な検出器数および露出量はどの程度か？

主な発見

• MAREプロジェクトは、最適化された163Hoベースのマイクロカロリメータアレイを用いて、電子ニュートリノ質量の統計的感度0.1 eVを予想している。
• 約1.5×10^4個の検出器、各検出器の活動度100崩壊/秒、1年間の運用で0.2 eVの感度が達成可能である。
• 0.2 eVの感度を達成するには、163Ho核の総数が約2×10^17必要である。
• 187Reでは、288ピクセル、3年間で10^10個の崩壊を用いることで、90%信頼水準で4 eV未塔の感度が達成可能である。
• 163Hoの選択は、QEC値が約2.2 keVであることが確認され、原子パラメータが有利である場合にのみ実現可能である。
• パイルアップ効果は、163Hoにおいて約2.5 keV付近にスペクトルピークを生じさせ、適切にモデル化および低減されない限り感度を低下させる。