[論文レビュー] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure $^{136}$Xe Gas Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu+68 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 11

ひとこと要約

PandaX-IIIは、中国四川・金華地下研究所（CJPL）で、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（NLDBD）を探索するため、高圧力136Xeガス時間投影連合器（TPC）を提案している。電子信号検出にはマイクロメガスと、低ノイズ・放射純度の読み出しチップを採用する。200kgのTPCモジュールを用い、3年間のデータ取得で半減期感度10^26年を達成し、段階的なアプローチで全質量1トンに拡大することで、10^27年まで向上させる。

ABSTRACT

Searching for the Neutrinoless Double Beta Decay (NLDBD) is now regarded as the topmost promising technique to explore the nature of neutrinos after the discovery of neutrino masses in oscillation experiments. PandaX-III (Particle And Astrophysical Xenon Experiment III) will search for the NLDBD of $^{136}$Xe at the China Jin Ping underground Laboratory (CJPL). In the first phase of the experiment, a high pressure gas Time Projection Chamber (TPC) will contain 200 kg, 90% $^{136}$Xe enriched gas operated at 10 bar. Fine pitch micro-pattern gas detector (Microbulk Micromegas) will be used at both ends of the TPC for the charge readout with a cathode in the middle. Charge signals can be used to reconstruct tracks of NLDBD events and provide good energy and spatial resolution. The detector will be immersed in a large water tank to ensure $\sim$5 m of water shielding in all directions. The second phase, a ton-scale experiment, will consist of five TPCs in the same water tank, with improved energy resolution and better control over backgrounds.

研究の動機と目的

• 中国四川・金華地下研究所（CJPL）で、高圧力ガス時間投影連合器（TPC）を用いて136Xeにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（NLDBD）を探索すること。
• 高度なTPC設計と低ノイズ・放射純度電子回路により、高いエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を実現すること。
• 200kgのTPCモジュールから出発し、最終的に1トンの有効質量に達するスケーラブルで段階的な実験的手法を構築すること。
• 上海交通大学（SJTU）で現在設置中である20kgのプロトタイプTPC（マイクロメガス読み出し）を通じて、検出器概念の妥当性を検証すること。
• 今後の改良として、絶対的イベント時刻（t₀）測定が可能な赤外感度を持つフォト検出器の導入を検討し、バックグラウンド識別性能の向上を図ること。

提案手法

• 最初の段階で200kgの有効質量を持つ高圧力136XeガスTPCを採用し、2段階目で全質量1トンに拡大する。
• イオン化電子収集にマイクロメガス読み出しを採用し、電子ノイズを100 e⁻未満に抑える低ノイズ・放射純度電子回路を導入する。
• 1–2mmの読み出しパッドを約5mmピッチで配置し、高電圧フィールド形成ストリップで取り囲むことで、電子を集中させ、入力静電容量を低減する。
• 読み出し面の上にフレシュメッシュを設置し、エネルギー分解能の向上と位置歪みの低減を図る。
• 電子ノイズが30 e⁻で、10pF静電容量での総ノイズが100 e⁻未満の低ノイズ・放射純度のIDeF-Xチップを代替読み出しとして検討する。
• アクリルパネルに赤外感度を持つフォト検出器（850–1200 nm）を設置し、絶対的イベント時刻（t₀）を測定する可能性を検討するが、これは基本設計には含まれない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧力136XeガスTPCは、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を検出可能であるほど、十分なエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を達成できるか？
• RQ2 低バックグラウンド環境下における大規模TPCにおいて、最適な読み出しアーキテクチャはマイクロメガスか、低ノイズ統合チップか？
• RQ3 直接測定を行わないTPCで、絶対的時刻（t₀）をどのように回復できるか？ また、その影響はバックグラウンド識別性能にどのような影響を及えるか？
• RQ4 3年間のデータ取得期間中に、200kgのTPCと全質量1トンの状態で、PandaX-III実験が達成可能な半減期感度はどの程度か？
• RQ5 マイクロメガス読み出しを備えた20kgプロトタイプTPCは、大規模実験に必要な性能を実際に示せるか？

主な発見

• 200kgのTPCモジュールは、3年間のデータ取得で136XeのNLDBDに対して半減期感度10^26年を達成すると予想される。
• 全質量1トンの有効質量と3年間の有効時間で、全実験は半減期感度限界10^27年に達する。
• マイクロメガス読み出しを備えた20kgプロトタイプTPCは、現在上海交通大学（SJTU）で設置・試運転中である。
• 低ノイズ・放射純度読み出し電子回路（例：IDeF-Xチップ）は、10pF入力静電容量で電子ノイズを100 e⁻未満に抑えられ、2.5MeVイベントのエネルギー分解能を1％程度に達する。
• フレシュメッシュとフィールド形成ストリップの導入により、エネルギー分解能と電子収集効率が向上する。
• 今後のアクリルパネルへの赤外感度フォト検出器の統合により、絶対的時刻（t₀）測定が可能になり、バックグラウンド識別性能の向上が期待できるが、これは基本設計には含まれない。