[논문 리뷰] LEGEND-1000 Preconceptual Design Report

LEGEND Collaboration|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 23.

Color Science and Applications참고 문헌 3인용 수 52

한 줄 요약

LEGEND-1000은 활성 액체 아르곤 실드를 갖춘, 76Ge 기반의 톤 규모 무방향성 이중 베타 붕괴 실험을 구축하여 발견 민감도를 10^28년 반감기 이상으로 끌어올리고 역전 배열 영역에서의 중성미자 질량을 탐색하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

Parallel talk presented at the XXI International Workshop on Neutrino Telescopes - Padova 29 September - 3 October 2025 (https://agenda.infn.it/event/44606/) On behalf of the LEGEND Collaboration Abstract: The LEGEND experiment searches for the neutrinoless double-beta (0νββ) decay of Ge-76 using isotopically-enriched high-purity germanium (HPGe) detectors with the ultimate discovery sensitivity beyond a half-life of 10^28 years. The project is conducted in stages. The first one, LEGEND-200, was steadily accumulating physics data at LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy) for more than one year with 140 kg of HPGe detectors. In 2024 the Collaboration unblinded the first data to check the sensitivity of the experiment and study the composition of the LEGEND-200 background, which was slightly higher than predicted based on screening measurements of the components. The detector array was subsequently disassembled to investigate the source of the elevated background, with nearby components undergoing re-cleaning and/or replacement as necessary. LEGEND-200 is scheduled to resume data taking in 2025. In this talk we will present the performance of the ongoing experiment and give an update on the status of its second phase: LEGEND-1000. Funds: This work is supported by the U.S. DOE and the NSF, the LANL, ORNL and LBNL LDRD programs; the European ERC and Horizon programs; the German DFG, BMBF, and MPG; the Italian INFN; the Polish NCN and MNiSW; the Czech MEYS; the Slovak RDA; the Swiss SNF; the UK STFC; the Canadian NSERC and CFI; the LNGS and SURF facilities.

연구 동기 및 목표

• 증강된 76Ge 검출기를 이용한 무방향성 이중베타 붕괴(0νββ) 탐색을 톤 규모로 추진하는 동기 부여 및 정당화.
• 이전 Gerda 및 Majorana Demonstrator의 혁신을 활용한 LEGEND-1000의 기본 설계를 정의한다.
• 역전 배열에서의 중성미자 질량 순서를 포괄하도록 발견 가능성 및 배경 목표를 정량화한다.
• 검출기, 차폐 및 지하 실험실 요건을 포함한 모듈식 LEGEND-1000 접근법의 개요를 제시한다.

제안 방법

• >90%로 증강된 76Ge를 포함하는 1000 kg의 Ge 검출기를 사용하여 ~400 ICPC 결정으로 네 개의 250-kg 모듈에 배치한다.
• 방사선 불순물 없는 지하 액체 아르곤(UGLAr)에 Ge 검출기를 담가 활성 차폐로 삼고 LAr 섬광 빛으로 배경 억제를 수행한다.
• Qββ에서 FWHM 약 0.12%의 탁월한 에너지 해상도를 달성하고 펄스 모양 판별을 적용하여 벌크 0νββ 사건을 배경으로부터 구분한다.
• 검출기의 입자 수와 LAr 배제(veto)를 활용한 다변량 이벤트 토폴로지 차별화를 적용하여 배경을 <1×10^-5 counts/(keV kg yr)로 억제한다.
• 질량을 확장하고 해상도를 유지하기 위해 inverted-coaxial point-contact 검출기를 활용한 LEGEND-200 경험으로 단계적으로 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 예상된 배경과 에너지 해상도를 고려할 때, 76Ge에서의 0νββ 붕괴에 대한 LEGEND-1000의 발견 가능성은 무엇인가?
• RQ2 1000 kg의 76Ge 집합이 약 10년 동안 0νββ 반감기 민감도를 10^28년을 넘고 mββ를 9–21 meV 범위까지 탐색할 수 있는가?
• RQ3 검출기 설계, 활성 LAr 차폐, 지하 위치가 배경 억제 및 신호 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 준배경-없는 동작을 달성하기 위해 필요한 시설, 재료 및 데이터 분석 접근 방식은 무엇인가?
• RQ5 4모듈, 400 검출기 배열의 페이즈드 커미션을 포함한 설치의 실행 가능성과 예상 일정은 어떠한가?

주요 결과

• LEGEND-1000은 99.7% CL에서 발견 민감도를 목표로 하며 10^28년 반감기를 넘어서는 3σ 신호를 관측할 확률이 50%이다.
• 투입 시간 10년 동안 역순 배열에서의 예상 mββ 민감도는 9–21 meV 범위이다.
• 배경 목표는 ICPC 검출기, LAr 베이토, UG LAr 및 초청청 재료를 통한 다중 완화 전략으로 <1×10^-5 counts/(keV kg yr) 미만이다.
• 설계는 LEGEND-200 개발을 바탕으로 결정당 질량을 2배 이상 증가시키고 우수한 에너지 해상도를 달성하여 준-배경 없는 탐색을 가능하게 한다.
• 실험 설정은 Qββ에서의 완전히 포함된 단일 위치 에너지 침착을 강조하며 0νββ 신호로 동시 검출 신호가 없는 것을 중시한다.