[논문 리뷰] Search for neutrinoless double-beta decay with SNO+

V. Fischer|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 17.

Neutrino Physics Research참고 문헌 4인용 수 8

한 줄 요약

SNO+는 0.5% 천연 텔루륨을 함유한 780톤의 액체 심광제를 사용하여 130Te에서 무중성자 이중베타 붕괴를 탐색하며, 5년 후 예상 반감기 감도가 1.9 × 10^26년에 도달하고, 이는 효과적 메이조나 중성자 질량에 대해 50.6 meV의 한계를 제공하여 역전된 중성자 질량 계단 영역을 탐색한다.

ABSTRACT

The SNO+ experiment, located in SNOLAB, 2 kilometers underground in the Creighton mine, near Sudbury, Canada, is a large scale neutrino detector whose main purpose is to search for neutrinoless double-beta decay and thus probe the Majorana nature of the neutrino. With 780 tons of liquid scintillator loaded with tellurium, SNO+ aims at exploring the Majorana neutrino mass parameter space down to the inverted mass hierarchy region. The versatility of the SNO+ detector also allows it to detect solar and reactor neutrinos, provide a measurement of the geoneutrino flux, detect galactic core-collapse supernovae and perform nucleon decay searches. The SNO+ experiment is currently taking data with a detector fully filled with ultrapure water. The detector will be completely filled with liquid scintillator in the coming months and subsequently loaded with tellurium.

연구 동기 및 목표

• 무중성자 이중베타 붕괴를 탐색함으로써 중성자의 메이조나 성격을 조사하기 위해 130Te에서의 연구를 수행한다.
• 50.6 meV 이하의 효과적 메이조나 중성자 질량 감도를 확보하여 역전된 중성자 질량 계단 영역을 탐색한다.
• 동일한 검출기 구조를 사용하여 태양 중성자, 반응로 중성자, 지중중성자, 초신성 중성자를 측정한다.
• 검출기의 물 상태를 이용하여 16O에서의 핵자기 붕괴를 탐색한다.
• 고농도의 텔루륨을 배경이 최소화된 액체 심광제에 탑재하는 확장 가능한 방법을 개발하고 구현한다.

제안 방법

• 2km 지하에 위치한 SNOLAB에서 780톤의 액체 심광제 검출기를 사용하여 우주선 배경을 최소화한다.
• 12m 직경의 아크릴 용기에는 처음에는 초순수 물을 채우고, 이후 액체 심광제(LAB + PPO)로 교체한 후 최종적으로 무게당 0.5%의 자연 텔루륨으로 적재한다.
• 입자 상호작용으로 발생하는 심광 빛을 감지하기 위해 9300개의 광전자 배율관(PMT)을 사용하며, 광수확율은 53%이다.
• PMT 반응 및 빛 전달 특성을 측정하기 위해 LED, 레이저, 광섬유 및 방사성 원소를 활용한 다단계 교정 시스템을 적용한다.
• 우주선에 의한 U 및 Th 오염을 각각 <1.3 × 10^-15 g/g 이하, <5 × 10^-16 g/g 이하로 감소시키기 위해 지하 정제 시설을 운영한다.
• 에너지 해상도 향상 및 배경 분리 능력을 향상시키기 위해 파장 이동체(bis-MSB)와 고광출력 심광제 혼합액(10,000 photon/MeV)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.5% 텔루륨 함량으로 2 × 10^26년 이하의 무중성자 이중베타 붕괴 반감기 감도를 SNO+가 확보할 수 있는가?
• RQ2 130Te의 Q값(2527.01 keV) 중심의 관심 영역에서 기대되는 배경 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ3 0.5% 이외의 농도까지 텔루륨을 액체 심광제에 3%까지 탑재할 수 있으며, 빛의 손실이 크게 증가하지 않는가?
• RQ4 0.5% Te 함량으로 5년간 데이터를 확보한 후 효과적 메이조나 중성자 질량에 대한 예상 한계는 무엇인가?
• RQ5 SNO+의 핵자기 붕괴 감도는 슈퍼카이아노카엔드와 같은 다른 대규모 검출기와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 0.5% 텔루륨 함량으로 5년간 데이터 확보 후 SNO+는 130Te에서 무중성자 이중베타 붕괴에 대해 반감기 감도 1.9 × 10^26년을 예측한다.
• 효과적 메이조나 중성자 질량에 대한 예상 한계는 50.6 meV이며, 이는 SNO+가 역전된 중성자 질량 계단 영역에 위치해 있음을 의미한다.
• 관심 영역의 주요 배경 원천은 8B 태양 중성자의 탄성 산란, 내부 U/Th 오염, 외부 감마선, (α,n) 반응, 텔루륨 활성화로 인한 우주선 유래 이소토프이다.
• 0.5% Te 함량에서도 빛 수확율은 높게 유지되며(10,000 photon/MeV), 광학 투과도는 충분하여 저에너지 임계값과 양호한 에너지 해상도를 확보할 수 있다.
• 연구 결과에 따르면 텔루륨 함량을 3% 무게비로까지 증가시켜도 빛 전달 손실이 크게 증가하지 않아, 향후 10^27년 이상의 감도 향상이 가능하다.
• SNO+의 물 상태는 이미 초기 핵자기 붕괴 탐색을 가능하게 하였으며, 6개월간의 데이터 확보 후 관심 영역에서 기대되는 배경 사건 수는 약 30건이다.