[論文レビュー] R&D towards CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification)

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、逆電卓質量階層領域におけるニュートリノのメジャノウス性を調べるための、トン規模の熱量的実験CUPIDの研究開発努力を概説する。CUOREのインfra構造を、強化された同素体の含有、高度な精製、新規検出技術、厳格な材料選定、および改善されたシールドでアップグレードすることで、CUPIDは1トン・年露光で背景レベルをほぼゼロにまで低下させることを目的としており、ニュートリノがメジャノウス粒子である場合、0νββ崩壊の3σ発見可能性を実現する。

ABSTRACT

CUPID is a proposed future tonne-scale bolometric neutrinoless double beta decay ($0νββ$) experiment to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation in the so-called inverted hierarchy region of the neutrino mass. CUPID will be built on experience, expertise and lessons learned in CUORE, and will exploit the current CUORE infrastructure as much as possible. In order to achieve its ambitious science goals, CUPID aims to increase the source mass and dramatically reduce the backgrounds in the region of interest. This requires isotopic enrichment, upgraded purification and crystallization procedures, new detector technologies, a stricter material selection, and possibly new shielding concepts with respect to the state of the art deployed in CUORE. This document reviews and describes the rich and varied R&D activities, performed inside and outside the CUORE collaboration towards the next generation bolometric $0νββ$ experiment. A separate document discusses the science goals and timescale for CUPID in more detail.

研究の動機と目的

• 有効メジャノウスニュートリノ質量の感度が約10 meVに達する次世代の熱量的0νββ実験CUPIDを開発し、逆電卓質量階層を調べること。
• 1トン・年露光において、関心領域のバックグラウンドをほぼゼロにまで低減し、0νββ崩壊の3σ発見可能性を実現すること。
• 検出技術、シールド、材料選定を含む、既存のCUOREインfra構造を活用し、高放射純度と大質量の源を実現すること。
• 優れたエネルギー分解能と感度を有する熱量的検出器を用いて、特に小規模な試料や箔の超低レベル汚染をスクリーニングする技術を前進させること。
• LNGSの現場で、ミューオン誘発バックグラウンドを低減するための専用のミューオン遮断システムを開発し、イベントレートを10倍以上低減すること。

提案手法

• 強化されたCUOREインfra構造、特に82Seおよび100Mo同素体を活用し、源質量を数百kgから1トンにまで増加させる。
• 検出器材料のボトムおよび表面汚染を低減するための高度な精製および結晶化技術を実装する。
• 100 eV未満のエネルギー閾値を持つ熱量的検出器を開発し、小規模な試料や箔の表面およびボトム汚染を測定し、従来手法に比べ10～100倍の感度向上を達成する。
• ICPMS、NAA、HPGe測定において前処理濃縮技術を統合し、UおよびTh汚染の感度を向上させる。これにより、有効試料質量を増加させることで、検出限界を1～2桁改善できる。
• アクティブボリュームの周囲にミューオンタッカー系を設計・試験し、ミューオン誘発バックグラウンドを遮断し、イベントレートを約0.5カウント/(トン・年)から0.05カウント/(トン・年)未満にまで低減する。
• 厳密な材料選定基準を適用し、外部および内部バックグラウンドを最小限に抑えるための新しいシールド概念を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱量的検出器は、従来のSi表面バリアダイオードに比べ、小規模な試料や箔のスクリーニングにおいて10～100倍の感度向上を達成できるか？
• RQ2 前処理濃縮技術は、0νββ実験で使用される材料におけるUおよびTh汚染の検出感度をどの程度向上させられるか？
• RQ3 LNGSの現場で、ミューオンタッカー系がミューオン誘発バックグラウンドを10倍以上低減できるか？
• RQ4 同素体の含有、高度な精製、材料選定を組み合わせることで、トン規模の熱量的実験でどの程度のバックグラウンド低減が達成できるか？
• RQ5 技術的アップグレードと厳密な放射純度管理を組み合わせることで、1トン・年露光でバックグラウンドレベルをほぼゼロに達成することは可能か？

主な発見

• 表面汚染スクリーニング用の熱量的検出器は、優れたエネルギー分解能と放射純度のおかげで、従来のSi表面バリアダイオードに比べ10～100倍の感度向上を達成できる。
• 前処理濃縮技術により、ICPMS、NAA、HPGe測定の感度が有効試料質量の増加によって向上し、UおよびTh汚染の検出限界が1～2桁改善できる。
• CUOREにおけるミューオン誘発バックグラウンドの推定レートは約0.5カウント/(トン・年)であり、専用のミューオン遮断システムにより10倍以上低減され、0.05カウント/(トン・年)未満にまで低下すると予想される。
• イェール大学で開発されたミューオンタッカーにより、LNGS現地でのミューオン誘発バックグラウンドのデータ駆動型研究が可能となり、同現場が将来のCUPID実験に適していることが確認された。
• 高度なスクリーニングおよび精製技術の統合により、バックグラウンドレベルが十分に低減され、逆電卓質量階層領域における0νββ崩壊の3σ発見可能性が達成可能になると予想される。
• 複数機関でのR&D活動の統合と高い科学的関心から、2年間の計画期間内に明確に定義された、実現可能なCUPID実験への道筋が示された。