[論文レビュー] Status and prospects of the NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J.J. Gómez-Cadenas|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 25被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、$^{136}$Xeにおける無ニュートリノ双ベータ崩壊を探索することを目的とした、電気光増幅方式を用いた高圧キセノン時間投影連続器（HPXe-EL）であるNEXT実験の現状と今後の展望を提示する。Canfranc地下実験所に設置されたNEXT-Whiteデモンストレータは、エネルギー分解能とトポロジカル再構成の両方を検証した。NEXT-100（キセノン100 kg）は2020年に稼働を開始し、バックグラウンドフリーな運用を目指す。今後の段階として、NEXT-HDおよびNEXT-BOLDは、向上したエネルギー分解能とバリウムイオンタグギングを用いた、トンスケールで超低バックグラウンドの検出器を実現することを目標としている。

ABSTRACT

NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) is an experimental program whose goals are to discover neutrinoless double beta decay using $^{136}$Xe in high pressure xenon TPCs with electroluminescent readout. In this paper, results from the NEXT-White detector, which is currently taking data at Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) will be reported. The prospects for the NEXT-100 apparatus, scheduled to start operations in 2020, as well as the plans to extend the technology to large and ultra-low background detectors needed to fully explore the inverse hierarchy of neutrino masses, will also be briefly discussed.

研究の動機と目的

• バックグラウンドフリーな無ニュートリノ双ベータ崩壊探索を実現するため、電気光増幅方式を用いた高圧キセノンガス時間投影連続器（TPC）の開発と検証を行う。
• Canfranc地下実験所におけるNEXT-White検出器を用いて、5 kgの強化$^{136}$Xeを用いた技術の実現可能性を示す。
• 15 barのキセノンを用い、最適化された放射純度を実現することで、NEXT-100実験が100 kgスケールでバックグラウンドフリーな運用を達成することを目的とする。
• 将来の段階として、NEXT-HDおよびNEXT-BOLDを検討し、超高分解能と超低バックグラウンドを実現するトンスケールの検出器を実現する。
• エネルギー分解能の向上とバリウムイオンタグギングを用いて、逆ニュートリノ質量階層の探索を可能にする。

提案手法

• 15 barの高圧キセノンガスを用いた時間投影連続器（TPC）で、二重ベータ崩壊からのイオン化および閃光信号を検出する。
• アノードでイオン化電子を電気光増幅（EL）し、二次閃光（S2）光を発生させる。
• 2枚の光検出器プレーンを用いる：エネルギー測定およびS1タイミングに用いるPMT、横方向位置再構成に用いるSiPM。
• 一次閃光（S1）から発生する真空中紫外光（VUV、約172 nm）をアノードに施されたTPB被膜によって可視光に変換する。
• 放射純度の高い材料（例：316Tiステンレス鋼、HDPE、銅）と lead シールドを用いて、バックグラウンド放射線を最小限に抑える。
• 2つの将来の道筋を検討する：NEXT-HDはエネルギー分解能の向上とバックグラウンドバジェットの低減を目的とし、NEXT-BOLDは表面結合型蛍光インジケーターを用いた単一Ba++イオンの遅延一致検出を目的とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気光増幅方式を用いた高圧キセノンTPCは、無ニュートリノ双ベータ崩壊探索に必要なエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を達成できるか？
• RQ2 NEXT-Whiteデモンストレータは、低バックグラウンドの地下環境下でHPXe-EL技術の実現可能性を成功裏に検証できるか？
• RQ3 NEXT-100は、15 barのキセノンと最適化された放射純度を用いて、100 kgスケールでバックグラウンドフリーな運用を達成できるか？
• RQ4 単分子蛍光イメージング（SMFI）によるバリウムイオンタグギングは、将来のトンスケール検出器で真にバックグラウンドフリーな検出を可能にするか？
• RQ5 NEXTが逆ニュートリノ質量階層を探索するには、どの感度と露出量が必要か？

主な発見

• Canfranc地下実験所に設置されたNEXT-White検出器は、5 kgの強化$^{136}$Xeを用いて、エネルギー分解能およびトポロジカル再構成を含む、HPXe-EL TPCのコア技術を成功裏に実証した。
• 2020年に稼働を開始予定のNEXT-100は、15 barのキセノンと最適化された放射純度を用いて、100 kgスケールでバックグラウンドフリーな運用を達成すると予想される。
• NEXT-HDルートは、6 t·yrの露出で半減期感度$2 \times 10^{27}$年を達成すると予想され、逆ニュートリノ質量階層の探索を標榜する。
• NEXT-BOLDアプローチは、SMFIによる単一Ba++イオンタグギングを用い、10 t·yrの露出で感度$8 \times 10^{27}$年を達成可能であり、真にバックグラウンドフリーな運用を実現する。
• 概念実証実験では、ドライ媒体を用いた単一Ba++イオンの検出が実証されたが、ドライ環境に適した高コントラスト蛍光インジケーターの開発には課題が残っている。
• ドライ環境で発光する能力を持つ新しい蛍光インジケーターが合成され、将来的なHPXe-EL検出器におけるBa++タグギングの実現可能性を支持する。