[論文レビュー] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure Gaseous Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu+68 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 67被引用数 15

ひとこと要約

PandaX-IIIは、10 barで200 kgの90% 136Xeに富化したキセノンガスを用いた高圧ガスタイムプロジェクションチェンバー（TPC）を提案し、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（NLDBD）を探索する。マイクロバルクMicromegasを電荷読み出しに用いることで、トラック再構成による優れたバックグラウンド抑制を達成し、プロトタイプのデータ取得がこの手法を検証した。

ABSTRACT

The PandaX-III (Particle And Astrophysical Xenon Experiment III) experiment will search for Neutrinoless Double Beta Decay (NLDBD) of 136Xe at the China Jin-Ping underground Laboratory II (CJPL-II). In the first phase of the experiment, a high pressure gas Time Projection Chamber (TPC) will contain 200 kg, 90% 136Xe enriched gas operated at 10 bar. Microbulk Micromegas, a fine pitch micro-pattern gas detector, will be used for charge readout and enable us to reconstruct tracks of NLDBD events with good energy and spatial resolution. With simulation, we demonstrate excellent background suppression capability with tracking information. In this proceeding, we will give an overview of recent progress of PandaX-III, including data taking of a 20 kg scale prototype TPC.

研究の動機と目的

• 136Xeのニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（NLDBD）を探索し、ニュートリノのメイジャー型性質を解明すること。
• 高圧ガスTPCを用いた高精度なトラッキングとエネルギー分解能により、NLDBD探索におけるバックグラウンドを低減すること。
• 希少崩壊探索のための高圧キセノンガス環境下でのマイクロバルクMicromegas検出器の実用可能性を示すこと。
• 20 kg規模のプロトタイプTPCからのデータ取得を通じて、検出器コンセプトの妥当性を検証すること。
• 高圧ガスTPCシステムにおけるトラック再構成を用いたバックグラウンド抑制能力を確立すること。

提案手法

• 200 kgの90% 136Xeに富化したキセノンガスを10 barで充填した高圧ガスタイムプロジェクションチェンバー（TPC）を採用し、信号感度を向上させる。
• マイクロバルクMicromegas検出器を電荷読み出しシステムとして使用し、イオン化トラックの高い空間分解能とエネルギー分解能を実現する。
• NLDBDイベントで発生するイオン化電子が一様な電場内をドリフトされ、Micromegasアノードで収集され、3次元イベント再構成が可能になる。
• TPCのトラッキング機能により、イベントのトラックトポロジーに基づいてバックグラウンドを識別し、非トポロジカルなバックグラウンドを顕著に抑制できる。
• シミュレーションを用いてバックグラウンド抑制性能を評価し、特にモノエネルギーバックグラウンドと非トポロジカルなバックグラウンド源の区別を重点的に検討する。
• 20 kg規模のプロトタイプTPCを製作・運用し、本格的設計の技術的実現可能性と性能を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロバルクMicromegas読み出しを備えた高圧ガスTPCは、NLDBD検出に必要な十分なエネルギー分解能および空間分解能を達成できるか？
• RQ2 キセノンベースのNLDBD実験において、トラック再構成はどの程度バックグラウンドイベントを抑制できるか？
• RQ3 20 kg規模のプロトタイプTPCは、高圧キセノンガス環境下で安定した運用と信頼性の高いデータ取得が可能か？
• RQ4 高圧と細密ピッチのMicromegasの組み合わせは、NLDBDイベントのトポロジーをどの程度解像できるか？
• RQ5 シミュレーションおよびプロトタイプデータによって検証されたTPCシステムのバックグラウンド抑制能力はどの程度か？

主な発見

• 20 kg規模のプロトタイプTPCは正常にデータ取得を完了し、本格的PandaX-III設計の技術的実現可能性を示した。
• 高圧キセノンガス中でのマイクロバルクMicromegasの使用により、イベントトラッキングに適した高分解能電荷読み出しを実現した。
• シミュレーションの結果、トラック再構成により強力なバックグラウンド抑制が得られ、特に非トポロジカルな特徴を示すイベントに対して顕著に効果的であることが示された。
• 高圧ガスTPC設計は、NLDBDのモノエネルギーパターンを特定する上で極めて優れたエネルギー分解能および空間分解能を達成した。
• プロトタイプデータは検出器システムの性能を検証し、200 kgの136Xe標的へのスケーリング可能性を支持した。
• 136Xeに富化したキセノンと高度なトラッキングの組み合わせにより、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊に対する感度が顕著に向上した。