[논문 리뷰] LEGEND: The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double-Beta Decay

Jordan Myslik|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 01.

Neutrino Physics Research참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

LEGEND는 중성미자 없는 이중베타 붕괴를 탐색하기 위해 단계적이고 톤 수준의 76Ge 실험을 제안하며, GERDA 및 Majorana Demonstrator 기술의 초저배경 및 고에너지 분辩 능력을 활용한다. 협동 연구팀은 기존 GERDA 냉각기(LEGEND-200)에 200 kg를 투입하고 1000 kg(LEGEND-1000)로 확장하여 10^28년 이상의 발견 잠재력을 확보하고자 하며, 각각 배경 수준을 <0.6 및 <0.1 개/(FWHM·t·y)로 목표로 한다.

ABSTRACT

The lepton number violating process of neutrinoless double-beta decay could result from the physics beyond the Standard Model needed to generate the neutrino masses. Taking different approaches, the current generation of $^{76}$Ge experiments, the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, lead the field in both the ultra-low background and energy resolution achieved. The next generation of neutrinoless double-beta decay experiments requires increased mass and further reduction of backgrounds to maximize discovery potential. Building on the successes of the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, the LEGEND collaboration has been formed to pursue a tonne-scale $^{76}$Ge experiment, with discovery potential at a half-life beyond $10^{28}$ years. The collaboration aims to develop a phased neutrinoless double-beta decay experimental program, starting with a 200 kg measurement using the existing GERDA cryostat at LNGS. These proceedings discuss the plans and physics reach of LEGEND, and the combination of R&amp;D efforts and existing resources being employed to expedite physics results.

연구 동기 및 목표

• 역전된 중성미자 질량 순서를 탐색하기 위해 질량을 증대하고 배경을 감소시킨 차세대 0νββ 붕괴 실험의 필요성을 해결한다.
• GERDA 및 Majorana Demonstrator에서 입증된 기술을 활용하여 개발 시간을 최소화하고 배경 억제를 극대화한다.
• giàu성된 게르마늄 검출기의 단계적 투입을 통해 0νββ 붕괴 반감기의 3σ 발견 잠재력을 10^28년 이상으로 확보한다.
• 우주선 기인 및 내재된 방사능으로 인한 배경를 줄이기 위해 검출기 설계, 프론트엔드 전자기기 및 셸딩을 최적화한다.
• LEGEND-200의 물리적 결과를 가속화하고 LEGEND-1000로의 기술적 추진력을 유지하기 위해 LNGS의 기존 인프라를 활용한다.

제안 방법

• LNGS에 위치한 기존 GERDA 냉각기에서 76Ge 고리치된 검출기 최대 200 kg를 투입하고, 액체 헬륨를 활성 경계 및 보호막으로 사용한다.
• 방사능 순도가 높고 질량이 적은 저질량 프론트엔드(LMFE) 전자기기를 도입하여 전자기 배경을 감소시키고 에너지 분辩을 유지한다.
• 역전형 코акс리얼 포인트 커텍트(ICPC) 게르마늄 검출기(각각 1.5–2.0 kg)를 채택하여 kg당 케이블 및 프리앰프 수를 감소시켜 배경 기여도를 낮춘다.
• LEGEND-1000에서 자연 헬륨에서 기인하는 42K 이온 배경을 제거하기 위해 42Ar를 제거한 지하 헬륨를 사용한다.
• 펄스 형태 분석 및 동시성 γ 태깅을 적용하여 표면 및 다중 위치 사건을 거부하여 신호 순도를 향상시킨다.
• 미래의 LEGEND-1000를 위해 ASIC 프리앰프에 대한 연구 및 개발을 수행하고, 액체 헬륨 내에서 빛 수집 효율을 향상시키기 위해 개선된 형광 섬유 및 순도를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실현 가능한 배경 수준에서 단계적 76Ge 실험은 0νββ 붕괴 반감기의 3σ 발견 잠재력을 10^28년 이상으로 달성할 수 있는가?
• RQ2 LNGS에 위치한 기존 GERDA 냉각기는 200 kg의 고리치된 게르마늄 검출기 어레이를 0.6 개/(FWHM·t·y) 이하의 배경 수준으로 지원할 수 있는가?
• RQ3 1000 kg의 고리치된 76Ge로 확장하면서 배경를 최소화하기 위한 최적의 검출기 기하학 및 셸딩 전략는 무엇인가?
• RQ4 미래의 대규모 실험에서 자연 헬륨에서 기인하는 42K 이온 배경은 어떻게 제거할 수 있는가?
• RQ5 방사능 순도가 높고 질량이 작은 프론트엔드 전자기기인 LMFE는 액체 헬륨 환경에서 뛰어난 에너지 분辩과 낮은 노이즈를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• LEGEND-200는 배경 수준을 <0.6 개/(FWHM·t·y)로 확보하여 1 톤·년 노출 후 10^27년 이상의 감도를 확보할 것으로 예상된다.
• LEGEND-200 실험은 2021년에 물리적 데이터 수집을 시작할 것으로 예상되며, 기존 GERDA 냉각기 및 인프라를 사용한다.
• 1000 kg의 LEGEND-1000 단계는 배경 목표로 <0.1 개/(FWHM·t·y)를 설정하여 10^28년 이상의 발견 잠재력을 확보한다.
• 역전형 코акс리얼 포인트 커텍트(ICPC) 검출기 설계는 BEGe 및 PPC 유형과 유사한 성능을 갖춘 더 큰 검출기(1.5–2.0 kg)를 가능하게 하여 구성 요소 수와 배경 기여도를 감소시킨다.
• LEGEND-1000에서 42Ar를 제거한 지하 헬륨를 사용하면 자연 헬륨에서 기인하는 42K 이온 배경을 제거할 수 있으며, 이는 자연 헬륨에서 주요한 배경 원천이다.
• 미래의 확장성과 성능 향상을 지원하기 위해 ASIC 프리앰프에 대한 연구 및 개발과 함께 액체 헬륨 내 형광 빛 수집 효율 향상에 대한 연구가 진행 중이다.