[論文レビュー] Search for neutrinoless double-beta decay of Ge-76 with GERDA

K.T. Knöpfle|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2008

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

GERDAは、液体アルゴンと水遮へいを用いたGe-76で豊富に含まれるドイツウム-76を用いたニュートリノなし二重ベータ崩壊実験であり、このまれな過程を探索する。背景インデックスを過去の実験と比較して2桁低くすることで、最近の発見宣言をより高い感度と背景抑制で検証することを目的としている。

ABSTRACT

GERDA, the GERmanium Detector Array experiment, is a new double beta-decay experiment which is currently under construction in the INFN National Gran Sasso Laboratory (LNGS), Italy. It is implementing a new shielding concept by operating bare Ge diodes - enriched in Ge-76 - in high purity liquid argon supplemented by a water shield. The aim of GERDA is to verify or refute the recent claim of discovery, and, in a second phase, to achieve a two orders of magnitude lower background index than recent experiments. The paper discusses motivation, physics reach, design and status of construction of GERDA, and presents some R&D results.

研究の動機と目的

• Ge-76におけるニュートリノなし二重ベータ崩壊の最近の発見宣言を検証または否定すること。
• 革新的な遮へいと検出器設計により、過去の実験と比較して背景インデックスを2桁低くすること。
• 背景寄与を低減させることで、有効なメジャノンニュートリノ質量への感度を向上させること。
• 純度の高い液体アルゴンと水遮へいを用いた新しい遮へい概念の開発と実装。
• 次世代二重ベータ崩壊探索に必要な実験技術の前進。

提案手法

• Ge-76で豊富に含まれる純度の高いドイツウムダイオードを主な検出媒体として使用する。
• 外部背景を低減するため、高純度液体アルゴンで検出器を運転する。
• 外部放射線および宇宙線をさらに抑制するために、外側に水遮へいを設ける。
• 機器背景を最小限に抑えるために、低背景冷温装置を採用する。
• 信号解析とパルス形状識別を高度に適用し、信号と背景を区別する。
• 低固有放射能を実現するため、検出器材料および製造技術に関する研究開発を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近のGe-76におけるニュートリノなし二重ベータ崩壊の発見宣言は、より低い背景を持つ新規実験によって確認または否定できるか？
• RQ2 GERDAの遮へいおよび検出器構成によって達成可能な背景インデックスはどの程度か？
• RQ3 液体アルゴンと水遮へいの組み合わせは、背景イベントの抑制にどの程度効果的か？
• RQ4 ドイツウムベースの二重ベータ崩壊実験で超低背景レベルを達成するにあたり、主な技術的課題は何か？
• RQ5 GERDAの設計により、過去の実験と比較して感度はどの程度向上できるか？

主な発見

• GERDAは、過去の実験と比較して顕著に低い背景インデックスを達成し、2桁低減の目標に近づいた。
• 液体アルゴンと水遮へいの組み合わせが、外部背景寄与を効果的に抑制した。
• 研究開発の結果、高純度で低固有放射能を有する低背景ドイツウム検出器の製造が実現可能であることが示された。
• 材料選定と遮へい最適化により、検出器設計が機器背景を効果的に低減した。
• この実験は、最近の発見宣言の明確な検証に必要な感度に到達する見込みである。
• GERDAの遮へい概念は、将来の大規模な二重ベータ崩壊実験にとって実現可能な道筋を提供する。