[論文レビュー] nEXO Pre-Conceptual Design Report

NEXO Collaboration, Kharusi, S. Al+172 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 79

ひとこと要約

This pre-conceptual design report outlines a tonne-scale, xenon-based search for neutrinoless double beta decay using about 5000 kg of Xe-136 enriched to 90%, aiming roughly 10^28 year sensitivity with a monolithic, ultra-clean liquid xenon detector leveraging EXO-200 experience.

ABSTRACT

The projected performance and detector configuration of nEXO are described in this pre-Conceptual Design Report (pCDR). nEXO is a tonne-scale neutrinoless double beta ($0νββ$) decay search in $^{136}$Xe, based on the ultra-low background liquid xenon technology validated by EXO-200. With $\simeq$ 5000 kg of xenon enriched to 90% in the isotope 136, nEXO has a projected half-life sensitivity of approximately $10^{28}$ years. This represents an improvement in sensitivity of about two orders of magnitude with respect to current results. Based on the experience gained from EXO-200 and the effectiveness of xenon purification techniques, we expect the background to be dominated by external sources of radiation. The sensitivity increase is, therefore, entirely derived from the increase of active mass in a monolithic and homogeneous detector, along with some technical advances perfected in the course of a dedicated R&D program. Hence the risk which is inherent to the construction of a large, ultra-low background detector is reduced, as the intrinsic radioactive contamination requirements are generally not beyond those demonstrated with the present generation $0νββ$ decay experiments. Indeed, most of the required materials have been already assayed or reasonable estimates of their properties are at hand. The details described herein represent the base design of the detector configuration as of early 2018. Where potential design improvements are possible, alternatives are discussed. This design for nEXO presents a compelling path towards a next generation search for $0νββ$, with a substantial possibility to discover physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 次世代の 0νββ 検索を喚起するため、LXe 検出器をトン規模へ拡大する。
• 2018年初頭時点の基本的な検出器設計と性能期待を提示する。
• EXO-200 の経験とキセノン精製を活用して背景を最小化する。
• 大規模で超低背景の検出器の材料、実現可能性、リスクを評価する。
• pCDR 基本設計の範囲内で、設計改善と代替案を検討する。

提案手法

• EXO-200 により検証された超低背景液体キセノン技術を採用する。
• アクティブ質量を最大化するために、モノリシックで均一な検出器ジオメトリを活用する。
• 活性キセノン質量を Xe-136 が 90% に富化された ~5000 kg にスケールする。
• 内部背景を抑制するためにキセノン精製技術を適用する。
• 外部背景の寄与を評価し、以前の実験からの材料アッセイとR&D の結果に頼る。
• 2018年時点の改善・代替案の議論を含む基本設計を提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トン規模の Xe-136 0νββ 検索で ~5000 kg の濃縮キセノンを使用した場合の予測半減期感度はどの程度か？
• RQ2 モノリシック液体キセノン検出器で活性質量を増やすことが、現在の実験と比べて背景優位の感度にどのように影響するか？
• RQ3 支配的な背景源は何か、外部源を緩和して所定の感度を達成できるか？
• RQ4 トン規模で信頼できる 0νββ 検索を実現するために必要な材料、アッセイ、設計選択は何か？
• RQ5 基本設計の制約内で、性能をさらに向上させる代替設計改善や選択肢は何か？

主な発見

• 約 10^28 年の半減期感度が見込まれる。
• 検出器は Xe-136 が 90% に濃縮された ~5000 kg のキセノンを使用。
• 背景は外部放射源に支配されると予想される。
• 感度の向上は主に活性質量の増大とモノリシックで均一な検出器によるもので、R&D および精製技術の支援を受ける。
• ほとんどの材料はアッセイ済み、または特性の reasonable estimates があり、建設リスクを緩和する。
• この設計は、2018年初頭時点の改善案・代替案の議論を含む基本構成を表しています。