[論文レビュー] Search for Neutrinoless Double-Beta Decay

W. Tornow|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、液体シンチレーター検出器に高含有比キセノンを用いた KamLAND-Zen 実験が、ニュートリノを伴う二重ベータ崩壊の探索を行い、段階Iと段階IIのデータを統合した結果、半減期の上限として $ T_{1/2}^{0\nu} > 2.6 \times 10^{25} $ yr（90%信頼水準）を達成した。この結果により、有効なメジャノンニュートリノ質量の上限が $ \langle m_{\beta\beta}\rangle < (140{-}280) $ meV にまで厳しく制限され、逆ニュートリノ質量階層領域に近づき、今後のアップグレードにより約 50 meV スケールを探索可能となる。

ABSTRACT

After the pioneering work of the Heidelberg-Moscow (HDM) and International Germanium Experiment (IGEX) groups, the second round of neutrinoless double-$β$ decay searches currently underway has or will improve the life-time limits of double-$β$ decay candidates by a factor of two to three, reaching in the near future the $T_{1/2} = 3 imes 10^{25}$ yr level. This talk will focus on the large-scale experiments GERDA, EXO-200, and KamLAND-Zen, which have reported already lower half-life time limits in excess of $10^{25}$ yr. Special emphasis is given to KamLAND-Zen, which is expected to approach the inverted hierarchy regime before future 1-ton experiments probe completely this life-time or effective neutrino-mass regime, which starts at $\approx 2 imes 10^{26}$ yr or $\approx 50$ meV.

研究の動機と目的

• ニュートリノのメジャノン性を、レプトン数を破る過程であるニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の探索によって検証すること。
• ニュートリノ振動実験では測定できない絶対的ニュートリノ質量スケールを特定すること。
• 有効なメジャノン質量が約 50 meV に予想される逆ニュートリノ質量階層領域を探索すること。
• 高含有比キセノンを用いた液体シンチレーター検出器と高度なバックグラウンド抑制技術を用いて、現在の限界を超える感度を向上させること。

提案手法

• KamLAND-Zen 実験は、液体シンチレーター（LS）ターゲット内に383 kgの高含有比136Xeを、ソースおよび検出器として用いる。この検出器は大規模かつ超高純度のミニバルーンに封入されている。
• 二重ベータ崩壊のエネルギーおよび光信号は、シンチレーション光を読み取るフォトマルチプライヤー管（PMTs）によって検出され、パルス形状識別法を用いてバックグラウンドを抑制する。
• 110mAg、88Y、208Bi、60Co などの放射性不純物を標的とする複数回の純化キャンペーンによりバックグラウンド抑制が達成された。
• 外部放射性物質からのバックグラウンドを低減するため、検出器のフィducialボリュームは半径カット（R < 1.0 m）によって定義されている。
• 半減期の上限は、エネルギースペクトルにプロファイル尤度推定を適用し、バックグラウンド成分をフィット中に自由に変化させることで抽出された。
• 今後のアップグレードでは、キセノン質量を600–800 kgに増加させ、2.5 MeVにおけるエネルギー分解能を2.5%未満に改善し、信号識別を向上させるための光収率の向上を図る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 136Xe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に対する現在の下限は何か？
• RQ2 KamLAND-Zen 実験は、有効なメジャノン質量が約50 meVの逆ニュートリノ質量階層領域に感度を持つことができるか？
• RQ3 110mAg などの残留放射性核種からのバックグラウンド寄与は、液体キセノンベースの0νββ実験の感度にどのように影響するか？
• RQ4 逆階層領域の全範囲を探索するための感度に到達するために、どのような改善が必要か？
• RQ5 今後の検出器アップグレード後の KamLAND-Zen の予想感度は何か？

主な発見

• 段階Iと段階IIのデータを統合した結果、136Xeのニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の半減期に対する90%信頼水準での下限は $ T_{1/2}^{0\nu} > 2.6 \times 10^{25} $ yr であった。
• この結果は、有効なメジャノンニュートリノ質量に対する上限が $ \langle m_{\beta\beta}\rangle < (140{-}280) $ meV に相当し、核行列要素の計算に依存する。
• 段階IIのデータ単独でも、三回の体積交換による純化キャンペーンで110mAg汚染が10倍に低減された結果、半減期の上限が $ T_{1/2}^{0\nu} > 1.3 \times 10^{25} $ yr に達した。
• 現在の検出器構成を用いて、段階IIのデータ取得開始から2年以内に、感度が $ 3 \times 10^{25} $ yr に達すると予想されている。
• 今後のアップグレードでは、600–800 kgのキセノンを有するより大きなミニバルーンと、改善されたエネルギー分解能を備えた検出器により、$ T_{1/2}^{0\nu} \sim 2 \times 10^{26} $ yr に達し、$ \langle m_{\beta\beta}\rangle = 50 $ meV の感度に到達すると予想されている。
• 提案されている KamLAND2-Zen アップグレードでは、1,000 kgの高含有比キセノンを用い、光収率およびPMT効率を向上させることで、5年間のデータ取得後に $ \langle m_{\beta\beta}\rangle = 20 $ meV の感度に到達すると予想されている。