[論文レビュー] The Hunt for neutrinoless double beta decay with the NEXT experiment

D. Lorca|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

NEXT実験は、電気光増幅を用いた高圧キセノンガスタイムプロジェクションチェンバを用いて、136Xeにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を探索し、ニュートリノのメジャナ型を調べ、効果的電子ニュートリノ質量を測定することを目的としている。プロトタイプNEXT-DEMOは、136XeのQ値で0.62% FWHMのエネルギー分解能を達成し、これにより近い将来に稼働予定のNEXT-100検出器の技術的妥当性が裏付けられた。NEXT-100は感度5.9×10²⁵年、mββ ≈ 100 meVの感度を標榜している。

ABSTRACT

The NEXT-100 detector will search for the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe using an electroluminescent high-pressure xenon gas TPC filled with 100 kg of enriched Xe. An observation of this hypothetical process would establish a Majorana nature for the neutrino and prove the violation of lepton number. A scaled-down prototype, NEXT-DEMO, has been built to demonstrate the feasibility of the technology. NEXT-DEMO includes an energy plane made of PMTs and a tracking plane made of SiPMs. X-ray energy depositions, produced by the de-excitation of xenon atoms after their interaction with gamma rays, have been used to characterize the detector response. With this method, the released energy by gammas coming from $^{22}$Na source has been corrected, achieving an energy resolution of 5.691% FWHM and 1.62% FWHM at the 29.7 keV and 511 keV peaks respectively, which extrapolate to 0.62% FWHM and 0.73% FWHM at Q$_{ββ}$ value of Xenon.

研究の動機と目的

• ニュートリノless二重ベータ崩壊（ββ0ν）を観測するためのスケーラブルで低バックグラウンドな検出器技術を開発すること。
• 高圧キセノンガス電気光増幅タイムプロジェクションチェンバ（HPXe-EL-TPC）が大規模なニュートリノ質量測定に実現可能であることを示すこと。
• 136XeのQ値（2451 keV）において1%未満のエネルギー分解能を達成し、まれなββ0ν事象をバックグラウンドから区別できること。
• 放射純度の高い材料とトポロジカルなイベント再構築によりバックグラウンド率を低減し、100 meV未満の有効メジャナニュートリノ質量に感度をもたせること。
• NEXT-100の設計をプロトタイプNEXT-DEMOで検証し、カンフランクス地下実験所での運用に備えること。

提案手法

• NEXT-100検出器は、15 barで稼働する100 kg、90%に富化された136Xeの高圧キセノンガスTPCであり、エネルギー測定には32.5%のPMT被覆率を有する。
• イオン化電子がアノードへドリフトし、電気光によりVUV光子が生成され、SiPMの平面（トラッキング平面）とPMTの平面（エネルギー平面）で検出され、3次元イベント再構築が行われる。
• キセノンK殻X線の吸収は、22Na源からのデポジションを用いて空間的・エネルギー的応答の補正に用いられ、非均一性や電子損失の補正が行われる。
• エネルギー分解能は、22Naからの29.7 keVおよび511 keVピークを用いて測定され、電子付着および圧力・温度のドリフトに起因する補正が施される。
• 12 cmの放射純度の高い銅シールドと放射純度の高い材料が使用され、バックグラウンド率は予想で5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹に抑えられる。
• 理論的感度は、T₁/₂ ∝ a·ε·√(M·t / (ΔE·B)) の関係式を用いて予測され、ΔEはプロトタイプデータから136XeのQ値に外挿される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧キセノンガス電気光増幅TPCは、136XeのQ値で1%未満のエネルギー分解能を達成できるか。これにより、まれなββ0ν事象の識別が可能になるか。
• RQ2 22NaからのX線デポジションは、ガス状キセノンTPCにおける空間的・エネルギー的応答の補正に有効に用いられるか。特に非均一性や電子損失の補正に有効か。
• RQ3 NEXT-100検出器は、ββ0ν崩壊の感度が5.9×10²⁵年になるほど十分に低いバックグラウンド率を達成できるか。
• RQ4 プロトタイプ測定値から外挿されたNEXT-100のエネルギー分解能はどの程度か。2451 keVのQ値ピークを解像する要件を満たしているか。
• RQ5 NEXT-100におけるカルォリメトリとトラッキングの組み合わせにより、主要なバックグラウンド源からのββ0ν事象のトポロジカルな識別が可能か。

主な発見

• NEXT-DEMOは、29.7 keVで5.691% FWHM、511 keVで1.62% FWHMのエネルギー分解能を達成し、検出器の非均一性および電子損失の補正が施された。
• 136XeのQ値（2451 keV）に外挿した結果、29.7 keVピークでは0.62% FWHM、511 keVピークでは0.73% FWHMのエネルギー分解能が期待される。これはポisson制限の光子ショットノイズを仮定した場合の値である。
• NEXT-100検出器は、5年間のデータ取得後に感度5.9×10²⁵年を達成すると予想され、有効メジャナニュートリノ質量への感度は約100 meVに相当する。
• キセノンK殻X線デポジションが、検出器全体にわたり空間的補正と応答の均一化に成功したキャリブレーションツールとして有効に機能した。
• 放射純度の高い材料と銅シールドの使用により、予想されるバックグラウンド率は5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹にまで低減され、低バックグラウンド設計の実現可能性が裏付けられた。
• NEXT-100検出器は、カンフランクス地下実験所への設置が承認されており、非富化キセノンを用いた運用は2015年から計画され、富化キセノンの物理実験は2016年初頭に予定されている。