[논문 리뷰] Search for double-beta decay of

Douglas Q. Adams|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

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한 줄 요약

이 논문은 130Te의 이중베타 붕괴가 130Xe의 첫 번째 0+ 준항상태로의 붕괴에 대해 현재까지 가장 엄격한 실험적 한계를 제시한다. CUORE 냉각막 탐지기의 공진기적 감마선 신호를 활용하여, 베이지안 90% 신뢰구간 하한선으로서 (T1/2)₀ν > 5.9×10²⁴ yr 및 (T1/2)₂ν > 1.3×10²⁴ yr의 결과를 도출하였으며, 이는 이전의 한계보다 약 5배 향상된 것이다.

ABSTRACT

The CUORE experiment is a large bolometric array searching for the lepton number violating neutrino-less double beta decay (0 νββ) in the isotope 130Te. In this work we present the latest results on two searches for the double beta decay (DBD) of 130Te to the first 02+ excited state of 130Xe : the 0 νββ decay and the Standard Model-allowed two-neutrinos double beta decay (2 νββ). Both searches are based on a 372.5 kg× yr TeO2 exposure. The de-excitation gamma rays emitted by the excited Xe nucleus in the final state yield a unique signature, which can be searched for with low background by studying coincident events in two or more bolometers. The closely packed arrangement of the CUORE crystals constitutes a significant advantage in this regard. The median limit setting sensitivities at 90% Credible Interval (C.I.) of the given searches were estimated as S1/20ν=5.6×1024yr for the 0 νββ decay and S1/22ν=2.1×1024yr for the 2 νββ decay. No significant evidence for either of the decay modes was observed and a Bayesian lower bound at 90 % C.I. on the decay half lives is obtained as: (T1/2)02+0ν>5.9×1024yr for the 0 νββ mode and (T1/2)02+2ν>1.3×1024yr for the 2 νββ mode. These represent the most stringent limits on the DBD of 130Te to excited states and improve by a factor ∼ 5 the previous results on this process.

연구 동기 및 목표

• 130Te의 이중베타 붕괴 중 무중성자(0νββ) 및 이중중성자(2νββ) 붕괴가 130Xe의 첫 번째 0+ 준항상태로의 붕괴를 탐색하기 위해.
• 특정한 공진기적 감마선 방출 신호를 활용하여, 붕괴하는 130Xe 핵의 탈-excited 상태에서 발생하는 배경을 감소시키기 위해.
• TeO2 결정에서 372.5 kg·yr의 큰 노출량을 활용하여, 이 붕괴 모드에 대해 이전의 한계를 향상시키기 위해.
• 정밀한 반감기 측정을 통해 이중베타 붕괴에서 핵 매트릭스 요인 및 축성 캐리어 억제 이론 예측을 검증하기 위해.
• 저배경를 갖는 희귀 붕괴 탐색에 있어 고해상도 냉각막 탐지기의 민감도를 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중베타 붕괴 사건의 에너지 손실을 탐지하기 위해, 988개의 TeO2 결정로 구성된 저온 냉각막 어레이인 CUORE 실험을 활용하였다.
• 밀도가 높은 결정 배열을 이용하여 다중 냉각막에서 동시 에너지 손실을 탐지함으로써, 상관된 감마선 방출을 강화하여 후보 사건을 식별하였다.
• 절단 효율, 우연한 동시성 비율, 포함 효과, 에너지 스케일/반응 함수 등 체계적 불확실성을 모델링하기 위해 계층적 사전분포를 사용한 베이지안 통계 분석을 적용하였다.
• 펄스 형태 구분 및 자연 방사능(예: ⁴⁰K)을 이용한 에너지 캘리브레이션을 통해 탐지기 반응을 제약하고 배경 기여를 감소시켰다.
• 모든 체계적 불확실성을 다변량 정규분포 및 균일분포 사전분포로 모델링한 나이지 파rameter로 간주하여 데이터에 대한 통합 피팅을 수행하였다.
• 붕괴 속도의 후행 확률 분포를 사용하여, 반감기의 민감도 하한선에 대한 90% 신뢰구간 하한선을 마진화하여 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 130Te의 무중성자 이중베타 붕괴가 130Xe의 첫 번째 0+ 준항상태로의 붕괴에 대해 반감기의 하한선은 얼마인가?
• RQ2 130Te의 이중중성자 이중베타 붕괴가 동일한 준항상태로의 붕괴에 대해 반감기의 하한선은 얼마인가?
• RQ3 측정된 한계는 QRPA 및 IBM-II 모델 기반의 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고해상도 냉각막 어레이에서의 공진기적 감마선 신호는 이중베타 붕괴 탐색에서 배경를 얼마나 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 체계적 불확실성은 최종 반감기 한계에 어떤 영향을 미치며, 베이지안 프레임워크에서 어떻게 정량화되는가?

주요 결과

• 372.5 kg·yr의 노출량 동안 130Te의 0+ 준항상태로의 무중성자 또는 이중중성자 이중베타 붕괴에 대해 유의미한 증거는 관측되지 않았다.
• 무중성자 이중베타 붕괴 모드에 대해 베이지안 90% 신뢰구간 하한선 (T1/2)₀ν > 5.9×10²⁴ yr이 확립되었다.
• 이중중성자 이중베타 붕괴 모드에 대해 베이지안 90% 신뢰구간 하한선 (T1/2)₂ν > 1.3×10²⁴ yr이 확립되었다.
• 이 결과들은 이전에 Cuoricino 및 CUORE-0 데이터의 조합으로 도출된 최良 한계보다 약 5배 향상된 것이다.
• 이중중성자 붕괴 모드의 중앙값 한계 민감도(2.1×10²⁴ yr)는 이론적 QRPA 예측의 하한선(7.2×10²⁴ yr)에 가까워지고 있다.
• 체계적 불확실성, 특히 탐지기 반응 함수 모델링에서 기인한 영향은 최종 반감기 한계에 1% 미만으로 기여하였으며, 가장 큰 영향은 절단 효율과 포함 효율에서 유래하였다.