[論文レビュー] Search For Neutrinoless Double Beta Decay With Enriched 76Ge 1990-2003 -- HEIDELBERG-MOSCOW-Experiment

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus, I. V. Krivosheina+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

HEIDELBERG-MOSCOW実験は、2003年5月20日までのデータを分析し、核種 ⁷⁶Ge を用いたニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の証拠を報告した。有意水準は4.2σであり、99.73%信頼水準での半減期は T₁/₂⁰ν = (0.69–4.18)×10²⁵ y であった。この結果は、有効ニュートリノ質量 ⟨mν⟩ = (0.24–0.58) eV を示し、デゲネレートニュートリノ質量スケーリングと、ニュートリノがメジャナ型粒子である可能性を支持するものである。

ABSTRACT

The HEIDELBERG-MOSCOW experiment, which is the most sensitive double beta decay experiment since ten years has been regularly continued until end of November 2003. An analysis of the data has been performed already until May 20, 2003. The experiment yields now, on a 4.2 sigma level, evidence for lepton number violation and proves that the neutrino is a Majorana particle.It further shows that neutrino masses are degenerate. In addition it puts several stringent constraints on other physics beyond the Standard Model. Among others it opens the door to test various supersymmetric theory scenarios, for example it gives the sharpest limit on the parameter lambda'_{111} in the R-parity violating part of the superpotential, and gives information on the splitting of the sneutrino-antisneutrino system. The result from the HEIDELBERG-MOSCOW experiment is consistent with recent results from CMB investigations, with high energy cosmic rays, with the result from the g-2 experiment and with recent theoretical work. It is indirectly supported by the analysis of other Ge double beta experiments. Recent criticism of various kind has been shown to be wrong, among others by measurements performed in 2003 with a 214Bi source (226Ra), by simulation of the background in the range of Q_(beta-beta) by GEANT4, and by deeper investigation of statistical features such as sensitivity of peak search, and relevance of width of window of analysis.

研究の動機と目的

• レプトン数の保存が破れる現象を調べるため、高純度 ⁷⁶Ge を用いたニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の探索を行う。
• 有効メジャナ型ニュートリノ質量 ⟨mν⟩ を用いて、ニュートリノ質量の絶対スケールを決定する。
• ニュートリノのメジャナ型性を検証し、R-数保存の破れを伴う超対称性（R-parity violating supersymmetry）を含む、標準模型を越えた理論の制約を求める。
• 特別な測定とシミュレーションを通じて、背景および統計的課題に対する実験的信号の妥当性を検証する。
• レプトン数の保存が破れる理論的モデルおよびニュートリノ質量生成機構に関する理論的モデルに対する厳密なテストを提供する。

提案手法

• 高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を用い、 ⁷⁶Ge の 2νββ および 0νββ 崩壊の印を検出する。
• 高いエネルギー分解能（ΔE）を用いて崩壊生成物のエネルギー分布を測定し、Qββ = 2034 keV における 0νββ 峰を特定する。
• 最適化されたエネルギー窓と GEANT4 シミュレーションを用いたバックグラウンドモデルを用いたウィンドウド分析法を適用する。
• 半減期の上限を、T₁/₂⁰ν ∼ ε × a × √(Mt / (ΔE × B)) の式を用いて計算した。ここで ε は効率、a は同位体アボガドロ数、M は質量、t は時間、ΔE はエネルギー分解能、B はバックグラウンド率を表す。
• ピーク探索感度と窓幅の重要性を評価するための統計的解析を実施した。
• 2003年に ²¹⁴Bi および ²²⁶Ra ソースを用いた測定を通じて、機器的要因やバックグラウンドアーチファクトを除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4.2σを超える有意水準で、 ⁷⁶Ge におけるニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊の証拠は存在するか？
• RQ2 0νββ 崩壊率から導かれる有効メジャナ型ニュートリノ質量 ⟨mν⟩ は何か？
• RQ3 観測された信号は、ニュートリノのメジャナ型性およびデゲネレートニュートリノ質量スペクトルを支持するか？
• RQ4 この結果は、超対称理論における R-数保存の破れを伴うカップリング λ′₁₁₁ にどのような制約を課えるか？
• RQ5 バックグラウンド寄与および統計的ゆらぎに対して信号はどれほど頑健であり、他の説明は除外可能か？

主な発見

• 実験は、99.73%信頼水準で、 ⁷⁶Ge におけるニュートリノが伴わない二重ベータ崩壊の4.2σの証拠を報告した。半減期は T₁/₂⁰ν = (0.69–4.18)×10²⁵ y であった。
• 最良適合半減期は 1.19×10²⁵ y であり、これにより有効ニュートリノ質量 ⟨mν⟩ = 0.44 eV が得られ、99.73%信頼区間は (0.24–0.58) eV であった。
• 核行列要素に ±50% の不確実性を許容した場合、有効質量の範囲は (0.1–0.9) eV に広がる。
• この結果は、共通の質量固有状態 m_com = (0.14–3.6) eV（99.73%信頼水準）を有するデゲネレートニュートリノ質量スケーリングを支持する。
• 信号は、R-数保存の破れを伴うヤコビカップリング λ′₁₁₁ に対する、現時点で最も鋭い限界を提供しており、他の実験よりもきびしい制約を与えている。
• この結果は、CMBデータ、g-2実験の結果、および理論的研究と整合しており、他のGe二重ベータ崩壊実験からの間接的裏付けも得られている。