[論文レビュー] Neutrinoless double beta decay search with liquid scintillator experiments

Y. Gando|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ニュートリノ質量の逆質量階層を探索するニュートリノ質量のゼロニュートリノ二重ベータ崩壊（0νββ）を目的とした液体シンチレーション検出器実験KamLAND-ZenとSNO+の現状と今後の展望を提示している。この過程が確認されれば、ニュートリノがメジャナ型粒子であることを裏付けるとともに、有効ニュートリノ質量を解明できる。超高いバックグラウンド低減環境と高質量負荷が可能なスケーラブルな液体シンチレーション検出器を活用することで、実験は逆質量階層領域に感度を持つ。KamLAND-Zen 800は、90%信頼水準で $ T_{1/2}^{0\nu} > 1.07 \times 10^{26} $ 年の下限を設定した。

ABSTRACT

Liquid scintillator experiments for neutrinoless double beta decay search have high sensitivity based on the ultra low background environment and high scalability. This paper describes an overview of current ongoing projects KamLAND-Zen and SNO+.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える物理学の探査として、ニュートリノ質量のゼロニュートリノ二重ベータ崩壊（0νββ）を探索すること。
• 高スケーラビリティと超高いバックグラウンド低減を実現する液体シンチレーション検出器を用いて、有効メジャナニュートリノ質量 $\langle m_{\beta\beta}\rangle$ を決定すること。
• 逆ニュートリノ質量階層に感度を持つこと。これは、約 $ 10^3 $ kg の二重ベータ崩壊同位体を必要とする。
• 液体シンチレーション検出器実験における高度な精製、封止、バックグラウンド低減技術の開発と実装

提案手法

• 高質量負荷（SNO+では130Teが最大1,330 kgまで）が可能な液体シンチレーション検出器を用い、大規模な露出量と高い感度を実現する。
• ウランとトリウムの不純物を $ O(10^{-18}) $ g/g まで低減した超高純度液体シンチレーション剤を採用し、放射性バックグラウンドを最小限に抑える。
• 内向きを向いたフォトマルチプライヤートランスポート（PMT）を用いてシンチレーション光を検出し、時間と電荷積分によるエネルギーおよび発生位置の再構築を実施する。
• 高度なバックグラウンド低減技術を適用し、ミューオンの三重一致（ミューオン、2.2 MeV γ、10C崩壊）によるミューオン遮断と、高い光出力と透明度によるエネルギー分解能の向上を実現する。
• 高純度液体シンチレーション剤を封止するためのミニバルーンシステムを導入し、厳密なクリーンルームプロトコルと静電気制御を実施して汚染を防止する。
• ヘンリーの法則を活用し、深さに応じた溶解度向上により、10Cおよび太陽光 8B ニュートリノのバックグラウンド低減を促進するためのキセノンドーピングを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体シンチレーション検出器は、0νββ崩壊における逆ニュートリノ質量階層領域を探索するために必要な超高いバックグラウンド低減環境を実現できるか？
• RQ2 KamLAND-ZenとSNO+は、有効メジャナニュートリノ質量 $\langle m_{\beta\beta}\rangle$ に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ3 10C、214Bi、太陽光 8B ニュートリノなどのバックグラウンド源は、大規模な液体シンチレーション検出器でどのように効果的に低減できるか？
• RQ4 通常階層およびデジェネレート階層領域への感度を拡張するために、どのような技術的進歩が求められるか？
• RQ5 キセノンドーピングと高い光出力のシンチレーション剤は、エネルギー分解能の向上とバックグラウンド低減にどのように寄与するか？

主な発見

• KamLAND-Zen 400実験は、136Xeに対して90%信頼水準で $ T_{1/2}^{0\nu} > 1.07 \times 10^{26} $ 年の下限を設定し、これに伴い $ \langle m_{\beta\beta}\rangle < 61 - 165 $ meV となった。
• SNO+は液体シンチレーション剤の充填を開始し、1,330 kgの130Teを搭載することで、0νββ崩壊の探索が可能となる。
• KamLAND-Zen 800フェーズは2019年1月にデータ取得を開始し、3年間の運用で逆ニュートリノ質量階層の探索を目的としている。
• KamLAND-Zen 800のミニバルーンシステムは2018年5月に、複数層のクリーンルームプロトコルと半自動溶接を用いて、汚染防止を図りながら正常に設置された。
• ミニバルーンの液体シンチレーション剤の精製により、232Th不純物が $ O(10^{-15}) $ g/g まで低減され、バックグラウンド制御が大幅に向上した。
• 将来のKamLAND2-Zenでは、光出力の向上、PMTの量子効率の向上、キセノン/液体シンチレーション剤比の最適化により、体積依存バックグラウンドの低減をさらに強化する予定である。