[論文レビュー] Present status and future perspectives of the NEXT experiment

The NEXT Collaboration, J.J. Gómez-Cadenas+75 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 30被引用数 10

ひとこと要約

NEXT実験は、136Xeにおける無ニュートリノ双ベータ崩壊を探索する高圧キセノン時間投影 chamber (TPC) を提案しており、エネルギー分解能が1%未満で、トポロジカルな電子軌跡の識別が可能である。2.458 MeVにおける0.52% FWHMのエネルギー分解能を達成し、1トン規模の実験における優れたバックグラウンド抑制と発見感度の可能性を裏付けた。

ABSTRACT

NEXT is an experiment dedicated to neutrinoless double beta decay searches in xenon. The detector is a TPC, holding 100 kg of high-pressure xenon enriched in the $^{136}$Xe isotope. It is under construction in the Laboratorio Subterráneo de Canfranc in Spain, and it will begin operations in 2015. The NEXT detector concept provides an energy resolution better than 1% FWHM and a topological signal that can be used to reduce the background. Furthermore, the NEXT technology can be extrapolated to a 1-ton scale experiment.

研究の動機と目的

• 高感度で無ニュートリノ双ベータ崩壊を検出可能な高圧キセノンTPCの開発を目的とする。
• 崩壊事象の正確な同定に向け、0.52% FWHM（外挿推定値）の1%未満のエネルギー分解能を達成することを目的とする。
• 2つの電子軌跡のトポロジカルなシグネチャを活用してバックグラウンド事象を抑制することを目的とする。
• 成熟した放射純度の高い技術を用いて、1トン規模の実験へのスケーラビリティを実証することを目的とする。
• EXO-200 や KamLAND-Zen といった先行実験の信号を、優れたバックグラウンド分離能力で確認または否定することを目的とする。

提案手法

• NEXT-100検出器に、90%に富化された136Xeを100 kg使用した高圧キセノン（HPXe）時間投影 chamber（TPC）を採用する。
• イオン化信号をガス体積内で電気光増幅し、トラッキング面に設置されたシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）で検出する。
• 電子の付着損失を補正するため、13.9 msのドリフト時間補正を適用してエネルギー分解能を向上させる。
• 二重読み出しシステムを実装：イオン化電子で位置とタイミングを測定し、発光光でエネルギーを測定する。
• イオン化密度を向上させ、エネルギー分解能を改善するために、15 atmのキセノンガス圧を用いる。
• 密度の高いフォトセンサアレイを用いてx-y位置補正を実施し、応答の非均一性を補正し、分解能の低下を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧キセノンTPCは、無ニュートリノ双ベータ崩壊探索において1%未満のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 TPC内での2つの電子軌跡のトポロジカルシグネチャは、バックグラウンド事象を効果的に抑制できるか？
• RQ3 15 atmのキセノンガス中で、電気光増幅ベースの読み出しシステムが安定的かつ高分解能のエネルギー測定を提供できるか？
• RQ4 NEXT技術は、感度を向上させた1トン規模の実験にスケーラブルか？
• RQ5 10年間の露出で、逆ヘテロジー領域（≤20 meV）における有効ニュートリノ質量をNEXT検出器が解像できるか？

主な発見

• 15 atmで662 keVのガンマ線に対して1% FWHMのエネルギー分解能を測定し、Qββ = 2.458 MeVにおける0.52% FWHMに外挿された。
• 主ピークから約30 keV低い位置に位置するキセノンX線エスケープピークが明確に解像され、1 keV未満のエネルギー分解能能力が裏付けられた。
• 10 atmで30 keVのX線に対して5% FWHMのエネルギー分解能を測定し、低エネルギー域での性能を示した。
• LEDキャリブレーション実験により、光子出力の2桁のスケーリングに応じた期待される分解能スケーリングが確認され、応答モデルの妥当性が検証された。
• 測定された分解能は理論的限界値よりも20–30%高いが、これはx-y応答の非均一性に起因すると考えられ、密度の高いフォトセンサアレイによる補正が可能である。
• NEXT-DEMOプロトタイプは、電気光増幅ベースのトラッキングとエネルギー測定が成功裏に実証され、大規模化における技術の実現可能性が裏付けられた。