[論文レビュー] Result of the search for neutrinoless double-$β$ decay in $^{100}$Mo with the NEMO-3 experiment

R. Arnold, C. Augier+88 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、モダン地下研究所に設置されたNEMO-3検出器を用いた、$^{100}$Moにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の最終結果を提示する。34.3 kg·yrの露出量を用いて解析した結果、$0\nu\beta\beta$崩壊の証拠は得られず、90%信頼水準において半減期の下限が$T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yrであることが示された。これは、核行列要素計算に応じて、有効なメイジャーナニュートリノ質量の上限が$\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eVであることを意味する。

ABSTRACT

The NEMO-3 detector, which had been operating in the Modane Underground Laboratory from 2003 to 2010, was designed to search for neutrinoless double $β$ ($0νββ$) decay. We report final results of a search for $0νββ$ decays with $6.914$ kg of $^{100}$Mo using the entire NEMO-3 data set with a detector live time of $4.96$ yr, which corresponds to an exposure of 34.3 kg$\cdot$yr. We perform a detailed study of the expected background in the $0νββ$ signal region and find no evidence of $0νββ$ decays in the data. The level of observed background in the $0νββ$ signal region $[2.8-3.2]$ MeV is $0.44 \pm 0.13$ counts/yr/kg, and no events are observed in the interval $[3.2-10]$ MeV. We therefore derive a lower limit on the half-life of $0νββ$ decays in $^{100}$Mo of $T_{1/2}(0νββ)&gt; 1.1 imes 10^{24}$ yr at the $90\%$ Confidence Level, under the hypothesis of light Majorana neutrino exchange. Depending on the model used for calculating nuclear matrix elements, the limit for the effective Majorana neutrino mass lies in the range $\langle m_ν angle &lt; 0.33$--$0.62$ eV. We also report constraints on other lepton-number violating mechanisms for $0νββ$ decays.

研究の動機と目的

• モダン地下研究所に設置されたNEMO-3検出器を用いて、$^{100}$Moにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊を探索すること。
• ニュートリノのメイジャーナ性を検証するために、$^{100}$Moにおける$0\nu\beta\beta$崩壊の半減期に対する厳密な下限を設定すること。
• キャリブレーションデータ、放射性ソース、およびHPGe測定を用いて、詳細なバックグラウンドモデルを検証し、感度を確保すること。
• 次世代のSuperNEMO実験に必要な超低バックグラウンド条件の実現可能性を示すこと。
• 核行列要素計算を用いて、有効なメイジャーヌイトリノ質量に制約を与えること。

提案手法

• トラッキング系とカリメータを組み合わせたNEMO-3検出器を用い、二重ベータ崩壊から発生する電子を検出する。
• 34.3 kg·yrの$^{100}$Mo露出量に相当する完全なデータセットを解析し、これは4.96年分の有効なデータ収集に相当する。
• エネルギー分解能とバックグラウンド制御を確保するため、カリメータの詳細なキャリブレーションと長期的な安定性モニタリングを実施した。
• 実験設置前のHPGe測定と$^{226}$Ra、$^{208}$Tl、$^{222}$Rnソースからのデータを用いて、包括的なバックグラウンドモデルを構築した。
• 信号領域$E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeVおよび拡張領域$[3.2-10]$ MeVにおけるバックグラウンド研究を実施し、低バックグラウンドレベルを検証した。
• 複数の理論的モデル（Suhonen2015, Simkovic2013など）による核行列要素（NME）計算を用い、有効なメイジャーヌイトリノ質量の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なNEMO-3データセットに基づく$^{100}$Moにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の半減期の下限は何か？
• RQ2 核行列要素計算の不確実性を考慮した場合、有効なメイジャーヌイトリノ質量の上限は何か？
• RQ3 信号領域$0\nu\beta\beta$における主要なバックグラウンド源は何か？それらはどの程度正確にモデル化され、抑制されているか？
• RQ4 次世代のSuperNEMO実験に必要な水準まで、$^{100}$Mo崩壊領域のバックグラウンドレベルを低減できるか？
• RQ5 類似した技術を用いる将来の実験における期待されるバックグラウンド率と、測定されたバックグラウンド率はどのように比較されるか？

主な発見

• 完全なNEMO-3データセットにおいて、$^{100}$Moにおけるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の証拠は観測されなかった。
• 90%信頼水準における$0\nu\beta\beta$崩壊半減期の下限は$T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yrである。
• 有効なメイジャーヌイトリノ質量の上限は、核行列要素計算に応じて$\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eVである。
• 信号領域$E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeVにおける期待されるバックグラウンド率は$0.44 \pm 0.13$ counts/yr/kgである。
• 約半分のバックグラウンドは$^{100}$Moの$2\nu\beta\beta$崩壊に起因し、残りの半分は$^{222}$Rn汚染（約5 mBq/m³）と$^{100}$Mo箔内に存在する$^{208}$Tl汚染（90–130 μBq/kg）に均等に起因している。
• $Q_{\beta\beta} < 3.2$ MeVの核種や崩壊しない銅箔において、$E_{\text{tot}} = [3.2-10]$ MeV領域にバックグラウンド事象は観測されず、これは非$2\nu\beta\beta$バックグラウンドが極めて低い水準にあることを確認している。