[論文レビュー] The SuperNEMO double beta decay experiment

I. Nasteva|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2007

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

SuperNEMOは、100 kgの強化同位体（82Se もしくは 150Nd）を用いた次世代の二重ベータ崩壊実験を提案しており、トラッキングとカロリメトリーを組み合わせた手法により、ニュートリノ質量感度を50 meVまで達成することを目的としている。エネルギー分解能、トラッカー効率、放射純度の向上を通じて、ニュートリノ質量が0の二重ベータ崩壊に対する半減期感度を>2×10^26年まで向上させ、ニュートリノ質量が0の二重ベータ崩壊およびマヨラナニュートリノの探索を著しく前進させる。

ABSTRACT

The SuperNEMO project studies the feasibility of employing a technique of tracking plus calorimetry to search for neutrinoless double beta decay in 100 kg of enriched isotopes. It aims to reach an effective neutrino mass sensitivity of 50 meV. The current status of the SuperNEMO R&D programme is described, focusing on the main areas of improvement.

研究の動機と目的

• 有効ニュートリノ質量を50 meVまで探査できる次世代の二重ベータ崩壊実験を開発すること。
• NEMO 3実験技術—トラッキングとカロリメトリーを組み合わせた手法—を100 kgの強化同位体に、質量で1桁のスケールアップすること。
• 磁場と時間飛行測定を用いた高度な粒子識別技術により、超放射純度の源フィルムを用いてバックグラウンドレベルを低減すること。
• ニュートリノ質量が0の二重ベータ崩壊に対する半減期感度を>2×10^26年まで達成し、これにより有効ニュートリノ質量の探査範囲を50–90 meVまで拡大すること。
• 2010年までに最初のモジュールを稼働させ、2013年までに20モジュールのフル検出器を完成させる段階的展開を可能とすること。

提案手法

• 検出器はモジュラー設計を採用し、約20個の同一構造のユニットから構成され、各ユニットには約5 kgの強化同位体が、薄いフィルム（40 mg/cm²）として配置される。
• 電子の軌跡は、ジーナー・モードで動作する9層のワイヤードリフトチェンバーを用いて再構築され、アノードおよびカソード信号を用いて軌道と位置を決定する。
• カロリメトリーは、低放射性で高量子効率のフォトマルチプライヤー管（PMT）で読み取られる約1000個のシンチレーションブロックにより実現され、3 MeVで4% FWHMのエネルギー分解能を達成することを目的としている。
• 磁場を印加することで電子と陽電子を区別し、粒子識別を支援することで、ガンマ線およびアルファ線によるバックグラウンドを低減する。
• 208Tl（<2 μBq/kg）および214Bi（82Seでは<10 μBq/kg）の超低汚染レベルを満たすことで放射純度を確保し、専用のBiPo検出器を用いて測定する。
• 100セルのプロトタイプ・トラッカーを開発中であり、専用ロボットを用いた自動配線により、数千個のドリフトセルの大量生産を可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラッキングとカロリメトリーを組み合わせた手法を、100 kgの強化同位体にスケールアップしても、高いエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を維持できるか？
• RQ2 3 MeVで4% FWHMのエネルギー分解能を達成するための、シンチレーション材、ブロック形状、PMT特性の最適な組み合わせは何か？
• RQ3 208Tlおよび214Biの崩壊に起因するバックグラウンドを最小限に抑えるために、超放射純度の源フィルムをどのように製造・評価できるか？
• RQ4 磁場を用いた粒子識別とトポロジカル再構築を組み合わせることで、最大でどの程度の信号効率とバックグラウンド拒否能力を達成できるか？
• RQ5 段階的展開が可能なモジュラー設計により、2015年までに全感度目標を達成しながら、早期のデータ取得が可能か？

主な発見

• SuperNEMOのR&Dプログラムでは、ジーナー領域において9セルのトラッカー・プロトタイプでプラズマ伝播効率がほぼ100%に達し、ドリフトチェンバー設計の妥当性が検証された。
• 初期のカロリメーターサンプルでは、1 MeVで約6.5% FWHMのエネルギー分解能を達成し、3 MeVで4% FWHMの目標に近づいた。
• BiPo検出器プロトタイプは、208Tlおよび214Biの崩壊の特徴（電子放出後に遅延してアルファ線が観測）を成功裏に測定し、汚染度の正確な評価が可能となった。
• 4 kgの82Se標本は強化・精製され、原子蒸気レーザー同位体分離法を用いた150Ndの大規模強化が進行中である。
• トラッカー設計の研究により、1セルあたり8–12本のグランドワイヤーと最適化されたガス混合比が、高いトラッキング効率と空間分解能を実現することが確認された。
• 2015年までに、ニュートリノ質量感度が50–90 meVに達し、半減期感度が>2×10^26年まで向上することが予想される。