[論文レビュー] The search for neutrino-less double-beta decay: summary of current experiments

Delia Tosi|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、キセノン-136、ゲルマニウム-76、テルル-130 を用いたニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊（0νββ）探索の現状と今後の見通しをレビューする。0νββの観測は、ニュートリノがメジャナ型粒子であること、有効メジャナニュートリノ質量を特定すること、ニュートリノ質量階層を解明することを可能にする。現在の実験では半減期の下限が10^25年以上に設定されており、今後の実験では有効質量の感度が5–11 meVまで向上することを目的としている。

ABSTRACT

The search for neutrino-less double-beta decay has been a very active field of research in the last decade. Neutrino-less double-beta decay may answer essential open questions in neutrino physics. While double-beta decay accompanied by the emission of two neutrinos is allowed by the Standard Model, the neutrino-less process requires neutrinos to be Majorana particles. Detecting this decay could determine the nature of neutrinos, the neutrino effective mass, and the mass hierarchy. Xenon-136 and germanium-76 experiments currently have the best sensitivities. For both isotopes the lifetime of neutrino-less double-beta decay has been determined to be longer than 10^25 years, several orders of magnitude slower than the slowest process that has been detected. In this paper the basic theory of neutrino-less double-beta decay and its relationship to the neutrino mass are discussed. A review of the experimental efforts underway to measure this decay is presented, along with the status and sensitivity of current and near future searches.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊がニュートリノのメジャナ型性質および有効メジャナニュートリノ質量とどのように関連するかの理論的枠組みを要約すること。
• 進行中および近い将来の0νββ崩壊探索の状況と感度をレビューすること。
• 136Xe、76Ge、130Te を用いた主な実験の性能と予想される感度を比較すること。
• 近い将来の実験がニュートリノ質量階層および有効メジャナニュートリノ質量を解明する可能性を評価すること。
• 核行列要素の不確実性およびバックグラウンド抑制技術が実験的感度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 有効メジャナニュートリノ質量 ⟨mββ⟩ を用いた 0νββ 衰変率の理論的分析。式 1/T1/2 ∝ |⟨mββ⟩|² × G⁰ν(Q,Z) × |M⁰ν|² を使用。
• Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata（PMNS）混合行列とメジャナ位相を用いて、⟨mββ⟩ をニュートリノ質量および混合パラメータの関数として表現。
• 地下実験施設における高純度・低バックグラウンド検出器を用い、電子エネルギー分布の端末付近を観測する実験的手法。
• 液体キセノン時間投影連合検出器（例：nEXO）、低温ボロメータ（例：CUORE）、高純度ゲルマニウム検出器（例：GERDA）を用いてバックグラウンドを低減。
• 高度なシールド（ lead、酸素フリー銅、サイレントスチルレーター）および表面洗浄を用いて、関心領域（ROI）のバックグラウンドを低減。
• バリウムタグ付き技術（Xe-136 における）を用いたバックグラウンドタグ技術により、0νββ と 2νββ イベントを区別し、誤検出を低減。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊とニュートリノのメジャナ型性質との間にはどのような理論的関係があるか？
• RQ2 有効メジャナニュートリノ質量 ⟨mββ⟩ は、ニュートリノ混合パラメータおよびニュートリノ質量階層にどのように依存するか？
• RQ3 136Xe、76Ge、130Te における 0νββ 衰変の半減期に関する現在の実験的制限は何か？
• RQ4 核行列要素（NME）の不確実性は、実験結果の解釈にどのように影響するか？
• RQ5 次世代実験が有効メジャナニュートリノ質量を解明し、正規および逆質量階層を区別する感度はどの程度か？

主な発見

• EXO-200 および KamLAND-Zen の結果により、136Xe における 0νββ 衰変の半減期は 1.6 × 10^25 年以上に制限されている。
• 76Ge については、GERDA フェーズ I 実験が半減期の下限を 2.1 × 10^25 年に設定し、これに対応する有効メジャナ質量の下限は 200–400 meV である。
• CUORICINO 実験は、130Te における現在最も厳しい制限を確立し、半減期の下限は 2.8 × 10^24 年に達し、これに対応する有効質量の下限は 300–700 meV である。
• nEXO（5年間の運用）では、⟨mββ⟩ の感度が12–29 meV に達すると予想され、10年間の運用でバリウムタグ付き技術を用いることで、5–11 meV まで向上する。
• Heidelberg-Moscow 実験が報告した 76Ge における信号は、核行列要素モデルの大多数において現在のデータで除外されている。136Xe と 76Ge の感度比較から明らかである。
• CUORE-0 は、関心領域（ROI）で 0.074 ± 0.012 cnts/keV/kg/yr のバックグラウンドレベルを達成し、CUORICINO よりも6倍の改善を示した。これにより、5年間のデータで 9.5 × 10^25 年の感度が予想される。