[論文レビュー] Technical Design Report for the AMoRE $0νββ$ Decay Search Experiment

Alenkov, P. Aryal+88 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 72被引用数 26

ひとこと要約

AMoRE実験は、ミリケルビン温度で運転される超高純度で $^{48}$Ca を不活性化した $^{100}$MoドープCaMoO$_4$結晶を用いて、$^{100}$Moにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を高感度で探索するものである。金属磁気カルチオメータ（MMCs）を用いて同時にフォノンと閃光光を検出することで、優れたエネルギー分解能とパルス形状識別を実現し、バックグラウンドを抑制する。200 kgの検出器アレイを用いて3年間で有効なメジャノナニュートリノ質量に対して20–50 meVの感度を達成することが予想される。

ABSTRACT

The AMoRE (Advanced Mo-based Rare process Experiment) project is a series of experiments that use advanced cryogenic techniques to search for the neutrinoless double-beta decay of \mohundred. The work is being carried out by an international collaboration of researchers from eight countries. These searches involve high precision measurements of radiation-induced temperature changes and scintillation light produced in ultra-pure \Mo[100]-enriched and \Ca[48]-depleted calcium molybdate ($\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$) crystals that are located in a deep underground laboratory in Korea. The \mohundred nuclide was chosen for this \zeronubb decay search because of its high $Q$-value and favorable nuclear matrix element. Tests have demonstrated that \camo crystals produce the brightest scintillation light among all of the molybdate crystals, both at room and at cryogenic temperatures. $\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$ crystals are being operated at milli-Kelvin temperatures and read out via specially developed metallic-magnetic-calorimeter (MMC) temperature sensors that have excellent energy resolution and relatively fast response times. The excellent energy resolution provides good discrimination of signal from backgrounds, and the fast response time is important for minimizing the irreducible background caused by random coincidence of two-neutrino double-beta decay events of \mohundred nuclei. Comparisons of the scintillating-light and phonon yields and pulse shape discrimination of the phonon signals will be used to provide redundant rejection of alpha-ray-induced backgrounds. An effective Majorana neutrino mass sensitivity that reaches the expected range of the inverted neutrino mass hierarchy, i.e., 20-50 meV, could be achieved with a 200~kg array of $\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$ crystals operating for three years.

研究の動機と目的

• ニュートリノのメジャノナ性と絶対的ニュートリノ質量スケールを解明するための鍵となる $^{100}$Moにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を探索すること。
• 高度な冷却検出と材料純化によりバックグラウンドを最小限に抑えることで、有効なメジャノナニュートリノ質量に対して1 eV未満の感度を達成すること。
• 深地中実験施設に設置された $^{48}$Ca不活性化・$^{100}$Mo強化CaMoO$_4$結晶を用いた高純度・低バックグラウンド検出器システムの開発と導入。
• 感度と質量を段階的に増加させるスケーラブルなマルチフェーズ実験計画（AMoRE-Pilot, AMoRE-I, AMoRE-II）の確立。

提案手法

• $^{48}$Ca不活性化・$^{100}$Mo強化CaMoO$_4$結晶を超高純度で成長させ、放射性不純物を最小限に抑える。
• 冷却剤を用いたディルューション冷凍機を用いて結晶をミリケルビン温度で運転し、熱雑音を低減しエネルギー分解能を向上させる。
• 金属磁気カルチオメータ（MMCs）によるフォノン信号と低温光センサーによる閃光光信号を同時に読み出す。
• フォノンと光信号のパルス形状識別（PSD）を実装し、アルファ崩壊やランダムな共鳴事象によるバックグラウンドを除外する。
• 閃光光とフォノン信号の一致を用いて、二ニュートリノ二重ベータ崩壊のランダム共鳴事象を抑制する。
• 宇宙線、材料、内部バックグラウンド寄与をモデル化するための詳細なモンテカルロシミュレーションとバックグラウンド推定ツールの適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200 kgの $^{48}$Ca不活性化・$^{100}$Mo強化CaMoO$_4$結晶アレイが、3年間の運転で有効なメジャノナニュートリノ質量に対して20–50 meVの感度を達成できるか。
• RQ2 フォノンと閃光光信号のパルス形状識別が、アルファ崩壊やランダム共鳴事象によるバックグラウンドを効果的に抑制できるか。
• RQ3 原料の深徹底精製と結晶成長技術を用いて、CaMoO$_4$結晶で達成可能な放射能純度はどの程度か。
• RQ4 深地中検出器構成において、宇宙線ミューオンおよびミューオン誘発中性子をどの程度効果的に遮蔽・除外できるか。
• RQ5 大規模な $0\nu\beta\beta$ 実験における不可避なバックグラウンドを最小限に抑える最適な検出器設計と遮蔽戦略は何か。

主な発見

• $^{48}$Ca不活性化・$^{100}$Mo強化CaMoO$_4$結晶系は、室温および冷却温度下でモリブドエート系結晶の中で最高の閃光光出力を持つことが示された。
• 金属磁気カルチオメータ（MMCs）は優れたエネルギー分解能と高速応答を達成しており、効果的なバックグラウンド識別とランダム共鳴バックグラウンドの抑制が可能である。
• フォノンと閃光光信号のパルス形状識別により、アルファ誘発バックグラウンドの冗長な除外が可能である。
• 200 kgの検出器アレイを備えたAMoRE-II段階では、3年間の運転で有効なメジャノナニュートリノ質量に対して20–50 meVの感度が達成されると予想される。
• バックグラウンド推定のシミュレーションから、CaCO$_3$およびMoO$_3$前駆体の深徹底精製により、$^{232}$Th や $^{226}$Ra などの内部不純物が許容可能なレベルまで低減可能であることが示された。
• オフラインデータ解析フレームワークは、実データとシミュレートデータを一貫したパルス形状モデリングで処理できるように設計されており、正確な効率およびバックグラウンド率の決定が可能である。