[논문 리뷰] Final Result of the MAJORANA DEMONSTRATOR's Search for Neutrinoless Double-$β$ Decay in $^{76}$Ge

I. J. Arnquist, F. T. Avignone외 58명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 15.

Neutrino Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

메이저라 노트리플라이어는 $^{76}$Ge에서 무이중베타붕괴를 위한 최종 탐색을 완료했으며, $Q_{\beta\beta}$에서 에너지 해상도 약 2.5 keV를 달성하고 90% 신뢰수준에서 반감기 한계 $T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$ 년을 설정하였다. 이 결과는 효과적 메이저라 중성자질량에 대한 상한으로 $m_{\beta\beta} < 269$ meV를 도출하였으며, 중성자의 성질을 조사하고 약한 상호작용을 갖는 거대 입자들이 메이저라 성질을 갖는지 테스트하는 글로벌 노력에 기여한다.

ABSTRACT

The MAJORANA DEMONSTRATOR searched for neutrinoless double-$β$ decay ($0νββ$) of $^{76}$Ge using modular arrays of high-purity Ge detectors operated in vacuum cryostats in a low-background shield. The arrays operated with up to 40.4 kg of detectors (27.2 kg enriched to $\sim$88\% in $^{76}$Ge). From these measurements, the DEMONSTRATOR has accumulated 64.5 kg yr of enriched active exposure. With a world-leading energy resolution of 2.52 keV FWHM at the 2039 keV $Q_{ββ}$ (0.12\%), we set a half-life limit of $0νββ$ in $^{76}$Ge at $T_{1/2}&gt;8.3 imes10^{25}$ yr (90\% C.L.). This provides a range of upper limits on $m_{ββ}$ of $(113-269)$ meV (90\% C.L.), depending on the choice of nuclear matrix elements.

연구 동기 및 목표

• 고순도 게르마늄 검출기를 사용하여 $^{76}$Ge에서 무이중베타붕괴($0\nu\beta\beta$)를 탐색하기 위해.
• 무이중베타붕괴의 반감기 한계를 엄격하게 설정하여 효과적 메이저라 중성자질량을 제약하기 위해.
• 차세대 실험에 필수적인 초저배경 기술과 에너지 해상도를 시현하기 위해.
• LEGEND 프로그램을 위한 실험 방법과 배경 억제 기술을 검증하기 위해.
• 중성자가 스스로의 반입자인지 여부를 규명하는 글로벌 노력에 기여하기 위해.

제안 방법

• 샌포드 지하연구시설에 위치한 초저배경, 초저온 지하 검출기에서 순도가 높고 $^{76}$Ge 농도가 80%로 높은 농도의 검출기를 사용하였다.
• 최근까지 $0\nu\beta\beta$ 실험 중에서 가장 우수한 에너지 해상도 ~2.5 keV를 $Q_{\beta\beta} = 2039$ keV에서 달성하였다.
• 펄스 형태 분리(PSD) 커파를 적용하였으며, n형 게르마늄 표면에서의 전하 침착에 민감한 새로운 PSD 커파를 도입하였다.
• PSD 효율의 에너지 의존성 시스템적 오차를 보정하기 위해 $^{56}$Co를 캘리브레이션 원천으로 사용하였다.
• 초순수 재료와 활성 셸딩을 포함한 고도의 배경 억제 기술을 적용하여 에너지 해상도 기준으로 두 번째로 낮은 배경 인덱스를 달성하였다.
• 다양한 검출기 구성의 데이터를 통합하고 QRPA, SM, IBM, EDF 모델을 사용한 핵행렬원소 계산을 통해 $m_{\beta\beta}$의 한계를 유도하였다.

Figure 1: The measured energy spectrum above 100 keV for the full enriched exposure after applying multiplicity and data cleaning cuts (dark gray), DCR, high- $AvsE$ and LQ cuts (light gray), and the low- $AvsE$ cut (red).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메이저라 니모레이터의 최종 데이터 세트 기반으로 $^{76}$Ge에서의 무이중베타붕괴 반감기 한계는 무엇인가요?
• RQ2 메이저라 니모레이터의 에너지 해상도 및 배경 억제 성능은 다른 $0\nu\beta\beta$ 실험들과 비교하여 어떻게 되나요?
• RQ3 측정된 반감기 한계로부터 유도된 효과적 메이저라 중성자질량 $m_{\beta\beta}$의 상한은 무엇인가요?
• RQ4 다양한 핵행렬원소 모델은 반감기 한계를 $m_{\beta\beta}$ 기준으로 어떻게 해석에 영향을 미치나요?
• RQ5 메이저라 니모레이터에서 개발된 실험 기술은 LEGEND 프로그램의 목표를 얼마나 지원합니까?

주요 결과

• 메이저라 니모레이터는 $^{76}$Ge에서의 무이중베타붕괴에 대해 90% 신뢰수준에서 반감기 한계 $T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$ 년을 설정하였다.
• 실험은 $Q_{\beta\beta} = 2039$ keV에서 에너지 해상도 ~2.5 keV를 달성하였으며, 이는 최근까지 $0\nu\beta\beta$ 실험 중에서 가장 우수한 성능이었다.
• 니모레이터는 에너지 해상도 기준으로 두 번째로 낮은 배경 인덱스를 달성하였으며, 액체 아르곤 셸딩을 사용한 게르다(GERDA)를 제외하고는 가장 낮았다.
• $^{56}$Co 캘리브레이션을 통해 펄스 형태 분리 커파의 에너지 의존성 시스템적 오차를 보정할 수 있었다.
• n형 게르마늄 표면에서의 전하 침착에 민감한 새로운 펄스 형태 분리 커파가 배경 제거 성능을 향상시켰다.
• 유도된 효과적 메이저라 중성자질량 $m_{\beta\beta}$의 상한은 핵행렬원소 모델에 따라 113에서 269 meV 사이이며, 90% 신뢰수준에서의 보수적인 상한은 269 meV이다.

Figure 2: The measured energy spectrum for the full enriched exposure in the range of 1950-2350 keV, after applying all background cuts. The 360-keV background estimation window excludes the shaded 10 keV windows around expected gamma lines in gray, and the 10 keV window around the 2039 keV $Q_{\bet