[論文レビュー] Search for double-beta decay of

Douglas Q. Adams|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 51被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、TeO2結晶を用いたCUORE熱量計検出器を用いて、130Teの二重ベータ崩壊が130Xeの最初の0+励起状態へ進行する際の、これまでで最も厳しい実験的限界を提示している。励起状態の130Xeが崩壊する際に発生する連続的ガンマ線のシグナルを活用することで、ベイズ的90%信用区間の下限として、(T1/2)₀ν > 5.9×10²⁴ yr および (T1/2)₂ν > 1.3×10²⁴ yr の結果が得られ、前回の限界から約5倍の改善が達成された。

ABSTRACT

The CUORE experiment is a large bolometric array searching for the lepton number violating neutrino-less double beta decay (0 νββ) in the isotope 130Te. In this work we present the latest results on two searches for the double beta decay (DBD) of 130Te to the first 02+ excited state of 130Xe : the 0 νββ decay and the Standard Model-allowed two-neutrinos double beta decay (2 νββ). Both searches are based on a 372.5 kg× yr TeO2 exposure. The de-excitation gamma rays emitted by the excited Xe nucleus in the final state yield a unique signature, which can be searched for with low background by studying coincident events in two or more bolometers. The closely packed arrangement of the CUORE crystals constitutes a significant advantage in this regard. The median limit setting sensitivities at 90% Credible Interval (C.I.) of the given searches were estimated as S1/20ν=5.6×1024yr for the 0 νββ decay and S1/22ν=2.1×1024yr for the 2 νββ decay. No significant evidence for either of the decay modes was observed and a Bayesian lower bound at 90 % C.I. on the decay half lives is obtained as: (T1/2)02+0ν>5.9×1024yr for the 0 νββ mode and (T1/2)02+2ν>1.3×1024yr for the 2 νββ mode. These represent the most stringent limits on the DBD of 130Te to excited states and improve by a factor ∼ 5 the previous results on this process.

研究の動機と目的

• 130Teのニュートリノを伴わない（0νββ）および2つのニュートリノを伴う（2νββ）二重ベータ崩壊が、130Xeの最初の0+励起状態へ進行するのを探索すること。
• 励起状態の130Xe核が崩壊する際に放出される連続的ガンマ線の特徴的なシグナルを活用することで、バックグラウンドを低減すること。
• TeO2結晶に使用された372.5 kg·yrの大きな露出量を用いて、この崩壊モードの既存の限界を改善すること。
• 正確な半減期測定を通じて、核行列要素および二重ベータ崩壊における軸性結合の抑制に関する理論的予測を検証すること。
• 高空間分解能熱量計検出器が、バックグラウンドを低減しつつ、希少崩壊探索にどの程度感度を発揮できるかを検証すること。

提案手法

• 130Teの二重ベータ崩壊イベントに起因するエネルギー損失を検出するために、988個のTeO2結晶で構成される低温熱量計アレイであるCUORE実験を用いた。
• 密に配置された結晶の幾何構造を活かして、相関するガンマ線放出を検出できるように、複数の熱量計でエネルギー損失が一致するイベントを候補として特定した。
• 系統的不確実性（カット効率、誤った一致率、封じ込め効果、エネルギースケール／応答関数など）をモデル化するため、階層的事前分布を用いたベイズ統計解析を適用した。
• 自然放射性核種（例：⁴⁰K）からのエネルギー校正とパルス波形分離を用いて、検出器応答を制約し、バックグラウンド寄与を低減した。
• すべての系統的不確実性を、多変量正規分布および一様分布の事前分布としてモデル化したノイズパrameterとして統合し、データに合わせた統合フィットを実行した。
• 崩壊率の事後確率分布を用いて、半減期のマージナライズド90%信用区間（C.I.）の下限を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 130Teが130Xeの最初の0+励起状態へニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊する半減期の下限は何か？
• RQ2 130Teが同じ励起状態へ2つのニュートリノを伴う二重ベータ崩壊する半減期の下限は何か？
• RQ3 測定された限界は、QRPAおよびIBM-IIモデルに基づく理論的予測とどのように比較できるか？
• RQ4 高空間分解能熱量計アレイにおける連続的ガンマ線シグナルは、二重ベータ崩壊探索におけるバックグラウンド低減にどの程度寄与できるか？
• RQ5 系統的不確実性が最終的な半減期限界に与える影響は何か？そして、ベイズフレームワーク内でどのように定量化されるか？

主な発見

• 372.5 kg·yrの露出量において、130Teが130Xeの最初の0+励起状態へ進行する0νββおよび2νββ崩壊の有意な証拠は観測されなかった。
• 0νββ崩壊モードに対して、ベイズ的90%信用区間の下限として (T1/2)₀ν > 5.9×10²⁴ yr が確立された。
• 2νββ崩壊モードに対して、ベイズ的90%信用区間の下限として (T1/2)₂ν > 1.3×10²⁴ yr が確立された。
• これらの結果は、CuoricinoとCUORE-0のデータを統合した前回の最良限界から約5倍の改善を示している。
• 2νββモードの中央値限界感度（2.1×10²⁴ yr）は、理論的QRPA予測の下限（7.2×10²⁴ yr）に近づいている。
• 系統的不確実性のうち、特に検出器応答関数のモデル化が最終的な半減期限界に1%未満の寄与にとどまり、最大の影響はカット効率および封じ込め効率に起因していた。