[論文レビュー] Toward CUPID-1T

A. Armatol, C. Augier+173 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

CUPID-1Tは、ニュートリノの電荷なし二重ベータ崩壊（0νββ）を探索する次世代の1トン級低温ボロメータ実験を提案しており、半減期の感度を10²⁷–10²⁸年、有効マヨラナニュートリノ質量を15 meV未塔に達する。高度なバックグラウンド低減技術、低温リードアウト、放射純度の高い材料を活用することで、全範囲の逆ニュートリノ質量順序を探索し、通常順序にもアクセス可能となる。同時に、量子情報科学分野への広範な応用も可能となる。

ABSTRACT

Current experiments to search for broken lepton-number symmetry through the observation of neutrinoless double-beta decay ($0\mathrm{νββ}$) provide the most stringent limits on the Majorana nature of neutrinos and the effective Majorana neutrino mass ($m_{ββ}$). The next-generation experiments will focus on the sensitivity to the $0\mathrm{νββ}$ half-life of $\mathcal{O}(10^{27}$--$10^{28}$~years$)$ and $m_{ββ}\lesssim15$~meV, which would provide complete coverage of the so-called Inverted Ordering region of the neutrino mass parameter space. By taking advantage of recent technological breakthroughs, new, future calorimetric experiments at the 1-ton scale can increase the sensitivity by at least another order of magnitude, exploring the large fraction of the parameter space that corresponds to the Normal neutrino mass ordering. In case of a discovery, such experiments could provide important insights toward a new understanding of the mechanism of $0\mathrm{νββ}$. We present here a series of projects underway that will provide advancements in background reduction, cryogenic readout, and physics searches beyond $0\mathrm{νββ}$, all moving toward the next-to-next generation CUPID-1T detector.

研究の動機と目的

• ニュートリノの電荷なし二重ベータ崩壊の半減期に10²⁷–10²⁸年を達成し、全範囲の逆ニュートリノ質量順序領域をカバーすること。
• 通常ニュートリノ質量順序領域への感度を拡大し、有効マヨラナニュートリノ質量が15 meV未塔の領域を探索すること。
• 高度な放射純度技術、超低バックグラウンド材料、深地中での運用によりバックグラウンドを低減すること。
• 大規模なマクロボロメータアレイに高エネルギー分解能を実現するスケーラブルな低温リードアウトシステムの開発。
• 超伝導キュービットのための超低温・超高純度環境を提供することで、量子情報科学分野への横断的応用を可能とすること。

提案手法

• ミリケルビン温度で動作する高純度結晶キャピラリー（ボロメータ）を用い、0νββ崩壊に起因する希少なエネルギー付加を検出する。
• 高熱容量のゲルマニウムまたはテルル化物ベースの結晶アレイを多重リードアウトすることで、高露光量と高エネルギー分解能を達成する。
• パルス波形解析、放射純度の高い材料、アクティブバイアスシステムを含む高度なバックグラウンド低減技術を適用する。
• グラン・サッソなどの深地中実験施設を活用し、宇宙線および自然放射能由来のバックグラウンドを最小限に抑える。
• ⁸²Se、¹⁰⁰Mo、¹³⁰Teなどの複数の同素体のデータを統合することで感度を向上させ、核行列要素の不確実性を低減する。
• 複数の理論的モデルからの位相空間要因と核行列要素を用いたモンテカルロシミュレーションにより感度を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1トン級ボロメータ実験は、0νββ崩壊の半減期に10²⁸年、有効マヨラナニュートリノ質量が15 meV未塔の感度を達成できるか？
• RQ2 超低バックグラウンドを維持しながら低温ボロメータアレイをスケーリングアップするにあたり、技術的および材料的課題は何か？
• RQ3 バックグラウンド低減技術を最適化することで、通常ニュートリノ質量順序領域における0νββの発見が可能になるか？
• RQ4 CUPID-1Tの超低温・超高純度環境が、次世代超伝導量子プロセッサの運用をどの程度支援できるか？
• RQ5 素粒子物理学における希少事象探索と、量子情報システムの開発との間にはどのようなシナジーがあるか？

主な発見

• CUPID-1Tは10年間のライブタイムを想定し、0νββ崩壊の半減期に10²⁸年を達成する感度を予想しており、通常ニュートリノ質量順序領域への到達を拡張する。
• 実験は有効マヨラナニュートリノ質量が15 meV未塔の領域をカバーし、核行列要素の保守的見積もりでも全範囲の逆ニュートリノ質量順序領域をカバーする。
• 高純度結晶成長技術の最近の進展により、スケーラブルで高露光量の実験が可能となり、エネルギー分解能が向上し、内在的バックグラウンドも低減される。
• パルス波形分離や放射純度の高い材料を含むバックグラウンド低減技術により、不可避なバックグラウンドが1トン級実験に適した水準まで低減される見込みである。
• CUPID-1Tの超低温・超高純度環境が量子情報システムに有益であることが示されており、環境放射能の低減がキュービットのコherencyを向上させ、相関誤りを低減することが裏付けられている。
• CUPID-1Tは2020年代後半に建設を開始し、2030年代初頭に据え付けを予定しており、現在も低温リードアウト、多重リードアウト、バックグラウンド低減技術に関する活発なR&Dが進行中である。