[논문 리뷰] 75 years of double beta decay: yesterday, today and tomorrow

A. S. Barabash|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 24.

Neutrino Physics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 리뷰는 1935년부터 2011년까지의 이중베타붕괴 연구 75년을 종합적으로 다루며, 이론적 기초, 실험적 성과, 중성미자 없는 이중베타붕괴(0νββ) 탐지의 미래 전망을 다룬다. 10개의 이sovotope에서 이중중성미자 붕괴(2νββ)가 검출되었고, 효과적 마요라나 중성미자 질량과 마요라논 결합에 대해 각각 ⟨mν⟩ < 0.75 eV 및 ⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴의 보수적인 상한선을 제시하며, 차세대 실험들이 중성미자 질량에 대해 0.01–0.1 eV 수준의 감도를 확보할 것으로 예측한다.

ABSTRACT

In this report I will briefly review the motivation and history of double beta decay search since the first consideration of two neutrino process (2$β(2ν)$) by Maria Goeppert-Mayer in 1935. The first experiments on search for double beta decay in the late of 1940's and beginning of 1950's are considered. It is underlined that for the first time the 2$β(2ν)$ decay has been registered in geochemical experiment with $^{130}$Te in 1950. In direct (counter) experiment this type of decay for the first time has been registered in $^{82}$Se by Michael Moe's group in 1987. Now two neutrino double beta decay has been recorded for 10 nuclei ($^{48}$Ca, $^{76}$Ge, $^{82}$Se, $^{96}$Zr, $^{100}$Mo, $^{116}$Cd, $^{128}$Te, $^{130}$Te, $^{150}$Nd, $^{238}$U). In addition, the 2$β(2ν)$ decay of $^{100}$Mo and $^{150}$Nd to the 0$^+_1$ excited state of the daughter nucleus has been observed and the ECEC(2$ν$) process in $^{130}$Ba was observed too. As to neutrinoless double beta decay (2$β(0ν)$) this process has not yet been registered. In the review results of the most sensitive experiments (Heidelberg-Moscow, IGEX, CUORICINO, NEMO-3) are discussed and conservative upper limits on effective Majorana neutrino mass and the coupling constant of the Majoron to the neutrino are established as $\langle m_ν angle &lt; 0.75$ eV and $\langle g_{ee} angle &lt; 1.9 \cdot 10^{-4}$, respectively. The next-generation experiments, where the mass of the isotopes being studied will be as grand as 100 to 1000 kg, are discussed. These experiments will have started within a few years. In all probability, they will make it possible to reach the sensitivity to the neutrino mass at a level of 0.01 to 0.1 eV.

연구 동기 및 목표

• 1935년 이후 이중베타붕괴 실험의 역사적 발전과 현재 상태를 검토하기 위해.
• 10개의 이sovotope에서 이중중성미자 붕괴(2νββ)의 실험적 검출과 중성미자 없는 이중베타붕괴의 관측 부재를 요약하기 위해.
• 기존 실험들로부터 효과적 마요라나 중성미자 질량과 마요라논 결합에 대한 가장 엄격한 실험적 한계를 제시하기 위해.
• 차세대 실험들이 중성미자 질량 척도에 대해 0.01–0.1 eV 수준의 감도를 확보할 것으로 예측하기 위해.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 탐색하는 데서 이중베타붕괴의 역할, 즉 렙톤 수 위반과 중성미자 질량 기원을 다루기 위해.

제안 방법

• 1935년부터 2011년까지 이중베타붕괴 분야의 이론적 및 실험적 발전에 대한 체계적 리뷰를 수행하였다.
• 헤이델베르크-모스크바, IGEX, CUORICINO, NEMO-3 등의 주요 실험들로부터의 반감기 측정치와 상한선를 종합하고 분석하였다.
• 다양한 이론적 연구에서 도출된 핵 매트릭스 요소(NMEs)를 활용하여 실험 결과를 해석하고 향후 감도를 예측하였다.
• NMEs를 [61, 62, 63, 64, 66, 67]에서 가져와, 고립체 질량, 배경 수준, 노출 시간을 고려한 차세대 실험의 감도 예측을 수행하였다.
• 다양한 이sovotope와 스펙트럼 지수(n = 2, 3, 7)에 대해 0νββ 붕괴 및 마요라논 방출 모드에 대한 실험적 한계를 비교하였다.
• 지구화학적 및 직접 계수 실험을 평가하여, 130Te에서의 2νββ 붕괴의 첫 번째 검출(1950년)과 82Se에서의 첫 번째 검출(1987년)을 확립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 이sovotope에서 이중중성미자 붕괴(2νββ) 검출의 현재 상태는 어떠한가?
• RQ2 중성미자 없는 이중베타붕괴와 효과적 마요라나 중성미자 질량에 대해 가장 엄격한 실험적 한계는 무엇인가?
• RQ3 실험 결과가 마요라논이 중성미자와 상호작용하는 결합에 대해 어떻게 제약을 가하는가?
• RQ4 차세대 이중베타붕괴 실험의 감도는 중성미자 질량 척도에 대해 어떻게 예측되는가?
• RQ5 0νββ 붕괴의 관측은 표준모형을 초월한 기본 물리학과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 이중중성미자 붕괴(2νββ)는 48Ca, 76Ge, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 128Te, 130Te, 150Nd, 238U 등 10개의 이sovotope에서 실험적으로 관측되었다.
• 100Mo와 150Nd의 2νββ 붕괴가 자식핵의 0⁺₁ 준위로의 붕괴가 관측되었으며, 130Ba의 ECEC(2ν) 과정도 검출되었다.
• 효과적 마요라나 중성미자 질량에 대한 가장 보수적인 상한선는 ⟨mν⟩ < 0.75 eV이며, 헤이델베르크-모스크바, IGEX, CUORICINO, NEMO-3 실험의 통합 결과에서 유도되었다.
• 일반 마요라논이 중성미자와 상호작용하는 결합 상수에 대한 상한선는 90% 신뢰수준에서 ⟨gEE⟩ < 1.9×10⁻⁴이다.
• GERDA, MAJORANA, EXO-200, CUORE, KamLAND-Xe, SuperNEMO, SNO+와 같은 차세대 실험들은 몇 년 내로 중성미자 질량에 대해 0.01–0.1 eV 수준의 감도를 확보할 것으로 예상된다.
• 2νββ 붕괴의 첫 번째 직접 관측은 1987년 Moe의 연구팀에 의해 82Se에서 이루어졌으며, 첫 번째 지구화학적 검출은 1950년 130Te에서 이루어졌다.