[論文レビュー] NEXT, a HPGXe TPC for neutrinoless double beta decay searches

The NEXT Collaboration, F. Grañena+62 more|ArXiv.org|Jul 23, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 32被引用数 42

ひとこと要約

本論文では、ニュートリノを伴う二重ベータ崩壊の探索を目的とした、高圧ガスキセノン時間投影連合器（HPgXe TPC）NEXTを提案する。この装置は、Qββにおける約1% FWHMの優れたエネルギー分解能と、三次元追跡による優れたバックグラウンド抑制を併せ持つ。SOFT（追跡のための分離最適化関数）TPC設計により、全活性体積の検出が可能となり、スケーラビリティが確保され、有効マジョナナニュートリノ質量への感度を高めるトポロジカルな特徴も得られる。1000 kg·yrの露光後、mββ < 10 meVの感度が予想される。

ABSTRACT

We propose a novel detection concept for neutrinoless double-beta decay searches. This concept is based on a Time Projection Chamber (TPC) filled with high-pressure gaseous xenon, and with separated-function capabilities for calorimetry and tracking. Thanks to its excellent energy resolution, together with its powerful background rejection provided by the distinct double-beta decay topological signature, the design discussed in this Letter Of Intent promises to be competitive and possibly out-perform existing proposals for next-generation neutrinoless double-beta decay experiments. We discuss the detection principles, design specifications, physics potential and R&amp;D plans to construct a detector with 100 kg fiducial mass in the double-beta decay emitting isotope Xe(136), to be installed in the Canfranc Underground Laboratory.

研究の動機と目的

• 現在の実験を上回る感度を実現する次世代の検出器を、ニュートリノを伴う二重ベータ崩壊（ββ0ν）の探索に向け開発すること。
• 大規模実験において、高エネルギー分解能、トポロジカルなイベント再構築、スケーラビリティという、互いに矛盾する要件を満たすこと。
• 完全に活性な検出器による三次元再構築と最適化された放射能純度を活用し、バックグラウンド寄与を低減すること。
• 段階的R&DによりSOFT TPC概念を検証し、カンフランクス地下実験所での136Xeを用いた100 kgのフィducialマス実験に至ること。
• 有効マジョナナニュートリノ質量の感度を10 meV未満に達するよう実現すること。

提案手法

• NEXT検出器は、約10 barで動作する高圧ガスキセノン（HPgXe）時間投影連合器（TPC）を採用し、一次蛍光（t0）と電子ドリフト信号による三次元再構築が可能である。
• SOFT（追跡のための分離最適化関数）TPC設計により、エネルギー測定と追跡機能が分離される：エネルギー測定には電子-イオン再結合からの電気発光（EL）が用いられ、追跡にはマイクロメガスまたはシリコンフォトマルチプライヤー（SiPMs）が蛍光光を検出する。
• 電気発光を用いて高分解能で堆積エネルギーを測定し、t0信号により正確なタイミングを取得してイベント再構築を実現する。
• 検出器は二重読み出しシステムを採用：光検出にはフォトマルチプライヤー（PMTs）とシリコンフォトマルチプライヤー（SiPMs）を用い、低ノイズかつ高ダイナミックレンジを実現する電子回路を最適化している。
• バックグラウンド抑制は、三次元イベント再構築、エネルギー窓選択（ROI）、およびフィducialボリューム外の軌跡を持つイベントの除外によって達成される。
• 段階的R&Dプログラムとして、NEXT-0（小規模プロトタイプ）、NEXT-1（1 kgプロトタイプ）、NEXT-10（10 kgプロトタイプ）、NEXT-100（100 kgフィducialマス）を経て、性能と放射能純度の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SOFT設計を有する高圧キセノンTPCは、Qββ = 2451 keVにおいて1% FWHM未満のエネルギー分解能を達成できるか。これにより、mββへの競争的感度が得られるか？
• RQ2 完全に活性なTPCにおける三次元イベント再構築とトポロジカルな特徴は、外部および内部源由来のバックグラウンドをどの程度抑制できるか？
• RQ3 エネルギー窓選択とフィducialボリューム定義の組み合わせは、214Biおよび208Tlのバックグラウンドイベントをどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ4 大規模NEXT実験における内部バックグラウンド予算に、検出器材料の放射能純度とシールドの影響はどのようなものか？
• RQ5 SOFT TPC設計は、エネルギー分解能およびバックグラウンド抑制に著しい劣化を来さずに100 kgフィducialマスにスケーリング可能か？

主な発見

• SOFT ASTPC設計は、Qββにおけるエネルギー分解能が1% FWHMに達する見込みであり、有効マジョナナニュートリノ質量への高い感度を実現する。
• 1000 kg·yrの露光後、NEXT実験はmββ < 10 meVの感度に到達でき、現在の最高限界を上回る。
• 214Biおよび208Tlイベントに対するバックグラウンド抑制要因は、エネルギー窓選択、フィducialボリューム定義、三次元再構築の組み合わせにより10^6を超える。
• 内部バックグラウンド予算は208Tlおよび214Biの崩壊が支配的であり、カット後の100 kgフィducialボリューム内での推定総率は約0.005 件/年である。
• SOFT TPC設計は、優れた三次元再構築とアクティブバイアスにより、従来のTPCと比較してバックグラウンド寄与を約10倍低減する。
• NEXT-100プロトタイプは、信号ROI内でのバックグラウンドレベルを約0.005 件/年まで低下させ、ββ0ν崩壊の半減期感度がT1/2 > 10^27 年に達する見込みである。