[論文レビュー] The Majorana Demonstrator

E. Aguayo, J. Fast+91 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Neutrino Physics Research被引用数 10

ひとこと要約

マジョラナデモニストレータープロジェクトは、76Geに富化された低バックグラウンドのゲルマニウム検出器アレイを開発し、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）を探索するもので、バックグラウンドレベルは約1カウント/トン・年を達成している。30 kg·年露光で、2006年に報告された76Geにおける0νββ崩壊の懸念をはらむ主張を確認または否定可能であり、最良条件下で10トン・年未満の露光で逆ニュートリノ質量階層全体をカバー可能である。

ABSTRACT

A brief review of the history and neutrino physics of double beta decay is given. A description of the MAJORANA DEMONSTRATOR research and development program including background reduction techniques is presented in some detail. The application of point contact (PC) detectors to the experiment is discussed, including the effectiveness of pulse shape analysis. The predicted sensitivity of a PC detector array enriched to 86% in 76Ge is given.

研究の動機と目的

• ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の探索を目的とした、76Geに富化された低バックグラウンドで高純度のゲルマニウム検出器アレイの開発。
• 1トンの密着配置アレイにおける1検出器あたりのバックグラウンドレベルを約1カウント/トン・年まで低下させ、感度の高い0νββ崩壊探索を可能にする。
• KK2006で報告された76Geにおける0νββ崩壊観測の主張を、30 kg·年の露光で高い統計的有意性をもって検証する。
• バックグラウンドが1カウント/ROI/t/y未満の条件下で、10トン・年未満の露光で逆ニュートリノ質量階層全体をカバーする。
• 富化GeO2の自社内精製およびゾーン精錬による大規模で超高純度のゲルマニウム材料の生産の可能性を実証する。

提案手法

• 富化76GeO2を約650 °Cの水素雰囲気で還元し、1030 °Cで溶融させてインゴットを形成した。
• 三重コイルRF加熱器を用いたゾーン精錬を実施し、抵抗率47 Ω·cm以上を達成した。複数回の通過により材料の純度を確保した。
• 宇宙線誘発バックグラウンドを最小限に抑えるために、約100 m水当量の地下施設でプロセスを実施した。
• 76Geに86%以上富化された高抵抗率のゾーン精錬ゲルマニウム17 kgを用いて検出器を製作し、最終的な品質評価に試作検出器を用いた。
• スパラレーション生成物（例：3H, 54Mn, 68Ge）のバックグラウンドを、Czochralski法による結晶引き出しと宇宙線への露出時間（100日分の海面相当以下）の制限により低減した。
• 0νββ崩壊への感度は、Simkovic2009の核行列要素とG0nuの空間因子を用い、Feldman-Cousins統計的手法で予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マジョラナデモニストレーターは、30 kg·年の露光で、2006年に報告された76Geにおける0νββ崩壊の主張を確認または否定できるか？
• RQ2 1カウント/ROI/t/y未満のバックグラウンド条件下で、逆ニュートリノ質量階層全体をカバーするのに必要な最小露光量は何か？
• RQ3 富化76GeO2の自社内精製およびゾーン精錬によって、抵抗率が47 Ω·cm以上でバックグラウンドが低い検出器用ゲルマニウムを生産できるか？
• RQ4 100 m水当量の遮蔽は、スパラレーション反応に起因する宇宙線誘発バックグラウンドをどれほど効果的に抑制できるか？
• RQ5 CP位相およびニュートリノ振動パラメータの不確実性が、0νββ崩壊への感度に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• マジョラナデモニストレーターは、ゲルマニウム検出器の1トンの密着配置アレイにおいて、1検出器あたりのバックグラウンドレベルを約1カウント/トン・年まで低下させた。
• 30 kg·年の露光で、KK2006で報告された0νββ崩壊観測の主張を確認または否定できる。
• 富化76GeO2 29 kgを金属ゲルマニウムに還元した結果、18.55 kgの金属を回収し、回収効率98.9%、抵抗率47 Ω·cm以上を達成した。
• ゾーン精錬を経て、17 kgの高純度ゲルマニウムが得られ、検出器の製造に適した状態となった。
• 感度解析の結果、バックグラウンドが1カウント/ROI/t/y未満の条件下で、10トン・年未満の露光で逆ニュートリノ質量階層全体をカバー可能であることが示された。
• Czochralski法により、68Geを除くすべてのスパラレーション核種が効果的に除去された。68Geは露出時間の制御により管理された。