[論文レビュー] Neutrinoless Double Beta Decay

F. Bellini, Alfonso, K.+230 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、⁷⁶Ge、⁸²Se、¹⁰⁰Mo、¹³⁶Xe、¹³⁰Teなどの多様な核種および技術を対象とした、ニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）実験の現状と今後の展望をレビューする。LEGEND、CUPID、SuperNEMO、nEXO、LZなどの主要な実験の取り組みを強調し、エネルギー分解能、バックグラウンド抑制、検出器の研究開発における進展を報告している。複数の実験がすでに稼働中または建設中である。

ABSTRACT

This White Paper, prepared for the Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos Town Meeting related to the 2023 Nuclear Physics Long Range Plan, makes the case for double beta decay as a critical component of the future nuclear physics program. The major experimental collaborations and many theorists have endorsed this white paper.

研究の動機と目的

• ニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）を探索する現在進行中および計画中の実験について、包括的な概要を提供すること。
• 異なる核種および検出技術を用いた主要な0νββ実験の性能、進行状況、技術的進展を評価すること。
• 分野全体におけるエネルギー分解能、バックグラウンド抑制、検出器技術の進歩を評価すること。
• 今後の0νββ実験における主な課題と有望な道筋を特定すること。
• 現在の実験の状況と、ニュートリノのメジャノウス性の特定および有効メジャノウスニュートリノ質量の測定に与える意味を要約すること。

提案手法

• 30以上の0νββ実験から得られた実験データを体系的にレビュー・収集し、検出器タイプ、核種、質量、進行状況を含む。
• エネルギー分解能の向上に関する分析、例えば、KamLAND2-Zenの検出器アップグレードによる2倍の改善が予想されている。
• バックグラウンド抑制技術の評価、例えば¹⁰Cタギングと材料精製を用い、バックグラウンドが1桁低減された。
• 新規検出器技術の評価、例えば、サイレントスボロメータ（CUPID）、高純度ゲルマニウム検出器（LEGEND）、液体キセノンTPC（LZ、XENONnT）。
• 研究開発の成果を統合し、例えば結晶の製造（CUPID）、センサー統合（LMO結晶）、新しい検出方法（ガスTPC、液体シンチレーション）。
• 検出器質量、核種、技術、実験状況を標準化したレポートを用いて、実験間の比較を可能にする。

Figure 1: Discovery sensitivities of current- and next-generation $0\nu\beta\beta$ -decay experiments for various mechanisms of lepton number violation, dominated by effective operators of dimension 5 (top panel), i.e., light neutrino exchange, and of dimension 7 (lower left panel) and dimension 9 (

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる核種および技術において、0νββ崩壊の現在の実験的感度と将来の発見可能性はどの程度か？
• RQ2 最近のアップグレードにより、主要な0νββ実験におけるエネルギー分解能とバックグラウンド抑制はどのように向上したか？
• RQ3 CUPID や LEGEND-1000 などの次世代0νββ検出器の開発における主な技術的課題と進捗状況は何か？
• RQ4 ダークマター実験（例：LZ、XENONnT）は、イソトープで強化されたキセノンを用いて、0νββ探索にどの程度貢献できるか？
• RQ5 今世紀の次の10年間で、次世代実験が0νββ崩壊の発見に到達する可能性はどの程度か？

主な発見

• LEGEND-200実験は現在、200 kgの⁷⁶Ge検出器を用いて起動段階にあり、有効メジャノウスニュートリノ質量に対して100 meVの感度を狙っている。
• CUPID-0はリチウムドープされたモリブデン酸塩シンチレーションボロメータの実現可能性を成功裏に示しており、4 kgの¹⁰⁰Moを用いたプロトタイプが使用された。
• KamLAND-Zen-800は、1年間あたり1 kg・keVあたり10⁻⁴件のバックグラウンド抑制を達成しており、¹⁰Cタギングによりバックグラウンドが1桁低減された。
• CUPID関心グループは、高純度結晶の供給業者を特定し、大規模な展開を可能にした。
• KamLAND2-Zenのアップグレードは、エネルギー分解能を2倍に向上させると予想されており、0νββ崩壊に対する感度が向上する。
• nEXO、NEXT-100、DARWINなどの複数の実験が、トンスケールの検出器を計画しており、有効メジャノウス質量の感度が50 meV未満になる見込みである。

Figure 2: Nuclear matrix elements ( $M_{0\nu}$ ) for the $0\nu\beta\beta$ decay ${}^{48}\mathrm{Ca}\rightarrow^{48}\mathrm{Ti}$ . Blue symbols are results from a variety of many-body methods with empirical or semi-empirical tailored interactions, as well as a mixture of schemes for treating short-ra