[論文レビュー] Neutrinoless double beta decay and direct searches for neutrino mass

C.E. Aalseth, Henning Back+25 more|ArXiv.org|Dec 21, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 49

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノの電荷がゼロの二重ベータ崩壊（0νββ）を探索する大規模な実験計画と、トリチウムベータ崩壊を用いた直接的ニュートリノ質量測定を提唱しており、これらがニュートリノがメジャナウ粒子かどうかを特定し、絶対的ニュートリノ質量スケールを測定するための唯一の実用的手段であると主張している。提言される段階的戦略は、3～5年以内に200～500kg規模の実験、5～10年以内に1トン規模の実験を実施し、新技術の多様な研究開発を進めるものであり、米国が積極的に参加し、DOEとNSFが連携して資金を配分する必要がある。

ABSTRACT

Study of the neutrinoless double beta decay and searches for the manifestation of the neutrino mass in ordinary beta decay are the main sources of information about the absolute neutrino mass scale, and the only practical source of information about the charge conjugation properties of the neutrinos. Thus, these studies have a unique role in the plans for better understanding of the whole fast expanding field of neutrino physics.

研究の動機と目的

• ニュートリノの電荷がゼロの二重ベータ崩壊（0νββ）の探索を通じて、ニュートリノが自身の反粒子であるかどうかを特定すること。これはレプトン数の破れとメジャナウニュートリノの性質を示唆する。
• トリチウムベータ崩壊実験を用いた絶対的ニュートリノ質量スケールの測定を実現すること。これらは、このような測定において唯一実用的な手法である。
• 核行列要素の不確実性を低減するために、複数の同位体と検出技術を用いた高感度の大規模実験への米国の資金支援と実験的開発を導くこと。
• 大気中ニュートリノ質量スケールに感度を持つ1トン規模の0νββ実験の開発を支援し、連携された資金支援と共同研究を通じて米国がこの分野でリーダーシップを発揮することを確保すること。

提案手法

• 200～500kg規模の実験を3～5年以内に実施し、準縮重ニュートリノ質量領域（約100～500 meV）を探索する多段階実験戦略を提唱する。
• 大気中ニュートリノ質量スケール（約20～55 meV）を探索する1トン規模の実験を推進し、大規模な研究開発とインfra構築を要する。
• 新たな検出技術の開発と追加の同位体の探索を進める多様な研究開発プログラムを支援し、単一の核行列要素計算への依存を減らす。
• DOEの素粒子物理学部門と核物理学部門、およびNSFが連携して、複数の大規模0νββ実験案を評価・支援するための資金支援メカニズムを整備することを推奨する。
• 76Ge、130Te、136Xeなどの複数の同位体における0νββの測定が、結果の相違を検証し、核の不確実性を低減するために不可欠であることを強調する。
• トリチウムベータ崩壊を用いたKATRIN実験が、重要な補完的手段であると強調し、設計感度が約200 meVであり、準縮重質量領域を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノの電荷がゼロの二重ベータ崩壊は観測可能であり、その発見がニュートリノの性質に何を示唆するのか？
• RQ2 ニュートリノ質量の絶対的スケールは何か？ 0νββ崩壊とトリチウムベータ崩壊を用いた測定法は、どのようにしてそのスケールを特定できるか？
• RQ3 0νββ崩壊率の解釈において、核行列要素に起因する実験的不確実性はどのように低減できるか？
• RQ4 最高の感度を達成するための最適な実験戦略（スケール、同位体選択、検出技術）は何か？
• RQ5 米国の資金支援と共同研究は、複数の大規模0νββ実験を支援し、科学的リーダーシップを確保するためにどのように構築されるべきか？

主な発見

• ニュートリノの電荷がゼロの二重ベータ崩壊が観測されれば、ニュートリノがメジャナウ粒子（自身の反粒子）であることを証明し、非ゼロのニュートリノ質量が存在することを示す。
• 200～500kg規模の実験は3～5年以内に実現可能であり、準縮重ニュートリノ質量領域を探索可能で、有効メジャナウ質量⟨mββ⟩の感度が約100～500 meVに達する。
• 大気中ニュートリノ質量スケール（約20～55 meV）を探索するには1トン規模の実験が必要であり、既存の200kg実験の拡張として開発すべきである。
• KATRIN実験は、設計感度が約200 meVであり、直接的ニュートリノ質量測定に不可欠であり、強く支援されるべきである。
• 複数の同位体と検出技術を用いた複数の実験が、核行列要素の不確実性を低減し、潜在的な0νββ信号の確認に不可欠である。
• DOEとNSFが連携して複数の大規模0νββ実験案を評価・支援するための連携された米国資金支援メカニズムが不可欠であり、200～500kg実験の推定費用は1件あたり1000万～2000万ドル、1トン実験は1件あたり5000万～1億ドルである。