[論文レビュー] Snowmass 2021 White Paper: The Selena Neutrino Experiment

Á. Chavarría, C. Galbiati+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用数 4

ひとこと要約

セルエナ実験は、非晶質セレン（aSe）中に同素体で強化された⁸²Seを用いた10トン級のニュートリノ検出器を提案しており、CMOSアクティブピクセルセンサを組み合わせて、バックグラウンドフリーなニュートリノ無し二重ベータ崩壊および太陽ニュートリノ分光法の検出を実現する。この技術により、イオン化トラックの高分解能イメージングが可能となり、イベント単位のバックグラウンド抑制が可能で、100 kgのデモンストレータを用いた1年間の運用で、⁸²Seのニュートリノ無し二重ベータ崩壊の下限寿命τ₁/₂ > 2×10²⁶ yが達成される見込みである。

ABSTRACT

Imaging devices made from an ionization target layer of amorphous selenium (aSe) coupled to a silicon complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) active pixel array for charge readout are a promising technology for neutrino physics. The high spatial resolution in a solid-state target provides unparalleled rejection of backgrounds from natural radioactivity in the search for neutrinoless $ββ$ decay and for electron neutrino ($ν_e$) spectroscopy with $^{82}$Se. In this white paper, we summarize the broad scientific program of a large imaging detector with a 10-ton target of $^{82}$Se. We review the detector technology, and outline the ongoing research program to realize this experiment.

研究の動機と目的

• ⁸²Seのニュートリノ無し二重ベータ崩壊を、未曾有の感度で探索し、ニュートリノのメジャナ型性を調べること。
• ⁸²Seにおける電子ニュートリノ（νₑ）捕獲を介したバックグラウンドフリーな電子ニュートリノ（νₑ）分光法を可能にし、太陽ニュートリノの研究を推進すること。
• 固体状態のaSe標的に高分解能イメージングを用いた、スケーラブルで低バックグラウンドの検出技術を実証すること。
• 地下100 kgのデモンストレータを用いてaSe/CMOS技術のスケーラビリティとバックグラウンド抑制を検証し、大規模実験への応用可能性を裏付けること。
• ⁸²Seにおけるνₑ捕獲を用いたステルラーニュートリノ探索を検討し、二重ベータ崩壊を越えた物理学的探査範囲を拡大すること。

提案手法

• イオン化電荷の読み出しにCMOSアクティブピクセルセンサ（APS）に接続された、同素体で強化された⁸²Seを含む10トンの標的を用いる。
• 高い電界を用いてイオン化電子をaSe層内をドリフトさせ、CMOSピクセルがそれを収集し、イオン化トラックの高分解能2次元イメージを形成する。
• 空間的・時間的相関解析を用いて、β崩壊連鎖などの放射性崩壊系列を特定し、バックグラウンド抑制を実現する。
• シリコンウェハの裏面に電力および信号を配線するためのThrough-Silicon Vias（TSVs）を用い、干渉を低減し、大面積ピクセルアレイの実現を可能にする。
• カプトン開口部を備えた導電性フレームと高電圧リングを用いて、aSe層に高電圧を印加し、電界の歪みと汚染を最小限に抑える。
• 商業的CMOSプロセスと産業スケールのaSe蒸着（例：Hologic, Inc.）を用い、室温で運用することで、コスト効率とスケーラビリティを確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100トン年露光量を想定した大規模aSe/CMOS検出器が、⁸²Seのニュートリノ無し二重ベータ崩壊をバックグラウンドフリーに検出できるか。
• RQ2 セルエナ検出器は、⁸²Seにおける電子捕獲を介した太陽ニュートリノ流量にどの程度感度を示し、ゼロバックグラウンド分光法を達成できるか。
• RQ3 崩壊系列の空間的・時間的相関解析が、検出器内の天然放射能由来のバックグラウンドをどの程度抑制できるか。
• RQ4 高分解能電荷イメージングを用いた場合、ββ崩壊およびνₑ捕獲イベントのエネルギー分解能およびイベント同定能力はどの程度達成可能か。
• RQ5 地下施設（例：LSC）に設置された100 kgデモンストレータが、10トン級実験に向けたaSe/CMOS技術のバックグラウンド抑制およびスケーラビリティを検証できるか。

主な発見

• 100 kgのセルエナデモンストレータは、1年間の運用で⁸²Seのニュートリノ無し二重ベータ崩壊に対して90%信頼水準でτ₁/₂ > 2×10²⁶ yの下限寿命を達成することが予想される。
• 効果的なバックグラウンド抑制のおかげで、1年間の運用で約5個のpp（peV）太陽ニュートリノがゼロバックグラウンドで検出可能と予想される。
• aSe/CMOSイメージング技術により、トラックのトポロジーやブレーグピークの局所化を用いて、粒子種（例：電子、アルファ粒子）および崩壊系列のイベント単位での同定が可能となる。
• バックグラウンド推定は、MAJORANA DEMONSTRATORなどの既存のkgスケールの固体状態検出器に基づいており、現在の技術で放射純度要件を達成可能であると示唆されている。
• 商業的CMOSプロセスおよび産業スケールのaSe蒸着（例：Hologic, Inc.）の利用により、10トン検出器のコスト効率的かつスケーラブルな実現が可能である。
• デモンストレータは二ニュートリノββ崩壊イベントの大量サンプルを提供し、γ線源によるキャリブレーションも可能となり、全物理学計画の妥当性を検証できる。