[論文レビュー] Searching for neutrinoless double beta decay with GERDA

GERDA Collaboration, M. Agostini+104 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

GERDA実験は、グランサソ地下研究所で液体アルゴン中で運転される高純度で高含有比に調整されたゲルマニウム検出器を用いて、76Geにおけるゼロニュートリノ二重ベータ崩壊を探索する。背景レベルが10⁻³ cts/(keV·kg·yr)に抑えられ、バックグラウンドフリーな状態を達成しており、47.7 kg·yrの露出量をもとに、90%信頼水準で76Geの半減期に対して>8.0×10²⁵ yrの下限を設定した。中央値感度は5.8×10²⁵ yrであった。

ABSTRACT

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment located at the INFN Gran Sasso Laboratory (Italy), is looking for the neutrinoless double beta decay of Ge76, by using high-purity germanium detectors made from isotopically enriched material. The combination of the novel experimental design, the careful material selection for radio-purity and the active/passive shielding techniques result in a very low residual background at the Q-value of the decay, about 1e-3 counts/(keV kg yr). This makes GERDA the first experiment in the field to be background-free for the complete design exposure of 100 kg yr. A search for neutrinoless double beta decay was performed with a total exposure of 47.7 kg yr: 23.2 kg yr come from the second phase (Phase II) of the experiment, in which the background is reduced by about a factor of ten with respect to the previous phase. The analysis presented in this paper includes 12.4 kg yr of new Phase II data. No evidence for a possible signal is found: the lower limit for the half-life of Ge76 is 8.0e25 yr at 90% CL. The experimental median sensitivity is 5.8e25 yr. The experiment is currently taking data. As it is running in a background-free regime, its sensitivity grows linearly with exposure and it is expected to surpass 1e26 yr within 2018.

研究の動機と目的

• 76Geにおけるゼロニュートリノ二重ベータ崩壊（0νββ）を、マヨラナニュートリノ質量とレプトン数の不変性の破れを調べる手段として探査すること。
• 材料選定、シールド、検出器設計によるバックグラウンド源のすべての低減を通じて、0νββ崩壊検出のバックグラウンドフリーな環境を実現すること。
• 47.7 kg·yrの大きな露出量を用いて、76Geの0νββ崩壊に対する半減期の厳密な下限を設定すること。
• バックグラウンドフリーな状態において感度が露出量に線形に増加することを示し、将来の発見可能性を高めること。
• 次世代のLegend実験の基盤を築くために、バックグラウンド抑制技術と検出器性能の妥当性を検証すること。

提案手法

• 76Ge含有比が約87%に調整された高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を、液体アルゴンに直接浸漬して自己シールド化する。
• 液体アルゴンとポリエチレンを含む、能動的および受動的シールドを備えた低バックグラウンド実験設計により、外部および内部バックグラウンドを抑制する。
• 検出器部品および周囲構造物の内部放射能を最小限に抑えるための低放射能材料選定プロトコルを採用する。
• 統計的信頼区間の正しくカバーするよう保証するため、トイモンテカルロシミュレーションを用いたプロファイル尤度検定統計量を用いて、頻度主義的信頼区間を計算する。
• 信号強度に平坦な事前分布を用いたベイズ解析により、半減期の90%信用区間を計算し、頻度主義の結果を補完する。
• エネルギーキャリブレーションとパルス形状解析を用いてバックグラウンド事象を同定・除外し、Qββ = 2039 keVにおける単エネルギー信号を分離することに注力する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 47.7 kg·yrの露出量をもとに、76Geのゼロニュートリノ二重ベータ崩壊に対する現在の半減期の下限は何か？
• RQ2 GERDAはどの程度バックグラウンドフリーな状態を達成できるか？また、これは露出量に伴う感度のスケーリングにどのように影響するか？
• RQ3 GERDAの感度は、136Xeを用いた他の主要な0νββ崩壊実験と比べてどの程度か？
• RQ4 GERDAの0νββ崩壊の発見可能性はどの程度で、半減期が約10²⁶ yrに達するにはいつごろになるか？
• RQ5 100 kg·yrの露出量において、バックグラウンドレベルを10⁻³ cts/(keV·kg·yr)に維持できるか？その場合、感度は線形に増加するか？

主な発見

• GERDA実験は、90%信頼水準で76Geのゼロニュートリノ二重ベータ崩壊に対する半減期の下限を>8.0×10²⁵ yrに設定した。
• 実験の中央値感度は5.8×10²⁵ yrであり、同じ露出量を持つ通常の実験で期待される下限を示している。
• Q値（2039 keV）におけるバックグラウンドレベルは10⁻³ cts/(keV·kg·yr)に測定され、GERDAは100 kg·yrの露出量においてバックグラウンドフリーな状態を達成した最初の実験である。
• フェーズIIのバックグラウンドは、エネルギー分解能と効率で正規化すると、BEGe（20）およびコアクシアル（5）検出器でそれぞれ1トン・年あたりのカウント数として、5（20） cts/(ton·yr)であり、他の非76Ge実験と比較して5倍以上も優れている。
• まだ解析されていない11.2 kg·yrのコアクシアルデータが残っているが、2018年までに中央値感度が10²⁶ yrを超える見込みである。
• 全100 kg·yrの露出量に対する予想感度は約1.4×10²⁶ yrであり、半減期が約8×10²⁵ yrまでの範囲で、3σの証拠を50%の確率で得られる可能性がある。