[논문 리뷰] Result of the search for neutrinoless double-$β$ decay in $^{100}$Mo with the NEMO-3 experiment

R. Arnold, C. Augier외 88명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 모다인 지하 실험소에 위치한 NEMO-3 실험에서 $^{100}$Mo의 무중성자 이중베타 붕괴를 위한 최종 결과를 제시한다. 총 34.3 kg·yr의 노출량을 확보하였으며, $0\nu\beta\beta$ 붕괴에 대한 증거는 발견되지 않았다. 이는 90% 신뢰수준에서 반감기의 하한선이 $T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yr임을 의미하며, 이는 핵 매트릭스 요소 계산에 따라 효과적인 메이저라 네이트론 질량 한계가 $\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eV임을 의미한다.

ABSTRACT

The NEMO-3 detector, which had been operating in the Modane Underground Laboratory from 2003 to 2010, was designed to search for neutrinoless double $β$ ($0νββ$) decay. We report final results of a search for $0νββ$ decays with $6.914$ kg of $^{100}$Mo using the entire NEMO-3 data set with a detector live time of $4.96$ yr, which corresponds to an exposure of 34.3 kg$\cdot$yr. We perform a detailed study of the expected background in the $0νββ$ signal region and find no evidence of $0νββ$ decays in the data. The level of observed background in the $0νββ$ signal region $[2.8-3.2]$ MeV is $0.44 \pm 0.13$ counts/yr/kg, and no events are observed in the interval $[3.2-10]$ MeV. We therefore derive a lower limit on the half-life of $0νββ$ decays in $^{100}$Mo of $T_{1/2}(0νββ)&gt; 1.1 imes 10^{24}$ yr at the $90\%$ Confidence Level, under the hypothesis of light Majorana neutrino exchange. Depending on the model used for calculating nuclear matrix elements, the limit for the effective Majorana neutrino mass lies in the range $\langle m_ν angle &lt; 0.33$--$0.62$ eV. We also report constraints on other lepton-number violating mechanisms for $0νββ$ decays.

연구 동기 및 목표

• 모다인 지하 실험소에 위치한 NEMO-3 검출기로 $^{100}$Mo에서의 무중성자 이중베타 붕괴를 탐색하기 위해.
• 중성자의 메이저라 성격을 시험하기 위해 $^{100}$Mo에서의 $0\nu\beta\beta$ 붕괴 반감기의 엄격한 하한선을 설정하기 위해.
• 캘리브레이션 데이터, 방사성 원소, HPGe 측정을 이용해 배경 모델을 검증하고 감도를 확보하기 위해.
• 다음 세대의 SuperNEMO 실험에 요구되는 초저배경 조건의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 핵 매트릭스 요소 계산을 활용해 효과적인 메이저라 중성자 질량에 대한 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 이중베타 붕괴에서 발생하는 전자를 탐지하기 위해 트래킹 시스템과 칼로리미터를 조합한 NEMO-3 검출기를 사용하였다.
• 총 34.3 kg·yr의 $^{100}$Mo 노출량을 확보한 전체 데이터 세트를 분석하였으며, 이는 4.96년의 효과적 데이터 수집 시간에 해당한다.
• 에너지 해상도 및 배경 제어를 확보하기 위해 칼로리미터의 정밀 캘리브레이션과 장기적인 안정성 모니터링을 실시하였다.
• 설치 이전의 HPGe 측정과 $^{226}$Ra, $^{208}$Tl, $^{222}$Rn 원소로부터의 데이터를 이용해 종합적인 배경 모델을 수립하였다.
• 신호 영역 $E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeV과 확장 영역 $[3.2-10]$ MeV에서의 배경 연구를 수행하여 저배경 수준을 검증하였다.
• 다양한 이론적 모델(Suhonen2015, Simkovic2013 등)의 핵 매트릭스 요소(NME) 계산을 활용해 효과적인 메이저라 중성자 질량에 대한 제약 조건을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 NEMO-3 데이터 세트 기반으로 $^{100}$Mo에서의 무중성자 이중베타 붕괴 반감기의 하한선은 얼마인가요?
• RQ2 핵 매트릭스 요소 계산의 불확실성을 고려할 때, 이에 대응하는 효과적인 메이저라 중성자 질량의 상한선은 무엇인가요?
• RQ3 무중성자 이중베타 붕괴 신호 영역에서 지배적인 배경 원인은 무엇이며, 이들은 얼마나 잘 모델링되고 억제되었나요?
• RQ4 다음 세대의 SuperNEMO 실험에 요구되는 수준으로 $^{100}$Mo 붕괴 영역의 배경 수준을 낮출 수 있었나요?
• RQ5 유사한 기술을 사용하는 향후 실험에 대한 기대 배경률과 비교해, 측정된 배경률은 어떻게 되나요?

주요 결과

• 전체 NEMO-3 데이터 세트에서 $^{100}$Mo의 무중성자 이중베타 붕괴에 대한 증거는 관측되지 않았다.
• 90% 신뢰수준에서 $0\nu\beta\beta$ 붕괴 반감기의 하한선은 $T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yr이다.
• 해당 결과에 대응하는 효과적인 메이저라 중성자 질량 상한선은 $\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eV이며, 사용된 핵 매트릭스 요소 계산에 따라 달라진다.
• 무중성자 이중베타 붕괴 신호 영역 $E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeV에서의 기대 배경률은 $0.44 \pm 0.13$ 개/년/kg이다.
• 배경의 약 절반은 $^{100}$Mo의 $2\nu\beta\beta$ 붕괴에서 기인하며, 나머지 절반은 약 5 mBq/m³의 $^{222}$Rn 오염과 $^{100}$Mo 필름 내의 $^{208}$Tl 오염(90–130 μBq/kg)으로 균등하게 나뉘어 있다.
• $Q_{\beta\beta} < 3.2$ MeV인 원소 또는 붕괴하지 않는 구리 필름에서 $E_{\text{tot}} = [3.2-10]$ MeV 영역에서 배경 사건이 관측되지 않아, 매우 낮은 비-$2\nu\beta\beta$ 배경 수준을 확인하였다.