[論文レビュー] The NEXT-100 experiment for neutrinoless double beta decay searches (Conceptual Design Report)

NEXT Collaboration, V. Álvarez+81 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 39被引用数 41

ひとこと要約

NEXT-100実験は、電気光増幅と分離型SiPMベースの追跡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ーを提案し、100 kgの136Xe標的に伴うCanfranc地下研究所で2013年までに、エネルギー分解能が1%未塔で、背景が極めて低い状態を実現することで、ニュートリノ無双ベータ崩壊に対して競争力のある感度を達成することを目的としている。

ABSTRACT

We propose an EASY (Electroluminescent ApparatuS of high Yield) and SOFT (Separated Optimized FuncTion) time-projection chamber for the NEXT experiment, that will search for neutrinoless double beta decay (bb0nu) in Xe-136. Our experiment must be competitive with the new generation of bb0nu searches already in operation or in construction. This requires a detector with very good energy resolution (<1%), very low background con- tamination (1E-4 counts/(keV \bullet kg \bullet y)) and large target mass. In addition, it needs to be operational as soon as possible. The design described here optimizes energy resolution thanks to the use of proportional electroluminescent amplification (EL); it is compact, as the Xe gas is under high pressure; and it allows the measurement of the topological signature of the event to further reduce the background contamination. The SOFT design uses different sensors for tracking and calorimetry. We propose the use of SiPMs (MPPCs) coated with a suitable wavelength shifter for the tracking, and the use of radiopure photomultipliers for the measurement of the energy and the primary scintillation needed to estimate the t0. This design provides the best possible energy resolution compared with other NEXT designs based on avalanche gain devices. The baseline design is an Asymmetric Neutrino Gas EL apparatus (ANGEL), which was already outlined in the NEXT LOI. ANGEL is conceived to be easy to fabricate. It requires very little R&D and most of the proposed solutions have already been tested in the NEXT-1 prototypes. Therefore, the detector can be ready by 2013. In this Conceptual Design Report (CDR) we discuss first the physics case, present a full design of the detector, describe the NEXT-1 EL prototypes and their initial results, and outline a project to build a detector with 100 kg of enriched xenon to be installed in the Canfranc Underground Laboratory in 2013.

研究の動機と目的

• 既存および計画中の実験と比較して、優れたエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を実現する次世代のニュートリノ無双ベータ崩壊実験を開発すること。
• 高圧136Xeガス中の電離による電気光増幅光出力を利用して、1%未塔のエネルギー分解能を達成すること。
• 分離された追跡および熱量測定平面を用いたトポロジカルなイベント再構築により、バックグラウンド汚染を約10−4カウント/(keV·kg·y)に最小限に抑えること。
• NEXT-1のプロトタイプ結果を活用し、R&Dを最小限に抑え、2013年までに100 kgの検出器を設置可能にするために迅速な展開を可能とすること。
• 初期の物理学走行後、1トンの強化キセノンにスケーラブルであることを保証すること。GERDAおよびXENONのアップグレードモデルに従う。

提案手法

• 高圧キセノンガス（5–10 bar）を用いた、非対称ニュートリノガスEL（ANGEL）検出器設計を採用し、標的質量と電離出力の最大化を図る。
• 比例電気光増幅（EL）を用いて、電離電子を検出可能な光パルスに増幅し、エネルギー測定に適した高い信号出力を得る。
• 検出器を二つの機能的平面に分離する：追跡平面では波長シフトコーティングを施したSiPM（MPPCs）を用い、イベントのトポロジー再構築を行う。エネルギー平面では放射純度の高いPMトを用い、一次閃光およびS2信号収集を行う。
• ボクセル化と幅優先探索（Breadth-First Search）アルゴリズムを用いたトポロジカルなシグネチャ解析により、バックグラウンドイベントと電子的双ベータ崩壊イベントを区別する。
• 標準化された部品（例：SiPMドッター基板、PMトフロントエンド電子回路）を用いたモジュラーかつスケーラブルな設計を統合し、迅速な構築と試験を可能にする。
• 外部バックグラウンドを抑制するため、鉛銅城塞と水ブロックを組み合わせたシールド構造を採用し、ラドン除去のための冷却トラップとガス精製を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気光増幅を用いた高圧キセノンタイムプロジェクションチェンバーは、ニュートリノ無双ベータ崩壊探索において1%未塔のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 分離型SiPM追跡を用いたトポロジカルなイベント再構築は、136Xe二重ベータ崩壊実験におけるバックグラウンド汚染をどの程度低減できるか？
• RQ3 NEXT-100での実現可能なバックグラウンドレベルは何か？また、競争力のある感度を達成するために必要な約10−4カウント/(keV·kg·y)の目標を満たせるか？
• RQ4 NEXT-1のプロトタイプ結果（例：EL出力、エネルギー分解能、ドリフト速度）は、100 kg検出器へのスケーラビリティをどのように裏付けているか？
• RQ5 検証済み部品とモジュラー構造を用いることで、最小限のR&Dで2013年までにANGEL設計を製造・設置可能になるか？

主な発見

• NEXT-1プロトタイプは、セシウム-137からの662 keVガンマ線に対して約1.5% FWHMのエネルギー分解能を達成し、NEXT-100全体の設計で1%未塔の分解能が実現可能であることを示した。
• 5 barでのキセノンにおける電気光増幅出力は、1つの一次電子あたり約1000光子と測定され、高い信号対ノイズ比を有するエネルギー測定に適していることが裏付けられた。
• NEXT1-IFICプロトタイプではアルファ粒子イベントのエネルギー分解能が約2.5% FWHMで再構築され、トポロジーに基づくバックグラウンド除外に優れた性能を示した。
• 5 barでのキセノンにおけるドリフト速度は約100–120 mm/μsと測定され、予想通りでTPC運用に適した値であった。
• S2/S1比は安定的かつ測定可能であり、イベント再構築に必要な正確なタイミング（t₀）の決定が可能であることが分かった。
• 鉛銅城塞と水ブロックを含むシールド設計は、外部バックグラウンドを許容可能なレベルまで低減できると予測されており、全システムの総費用は約1000万ドルと推定されている。