[논문 리뷰] Searching for neutrinoless double beta decay with GERDA

GERDA Collaboration, M. Agostini외 104명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 21.

Neutrino Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

GERDA 실험은 그란 사소 지하연구소에서 액체 알루미늄을 쓰며 고순도로 풍부한 게르마늄-76 검출기를 사용하여 무이차 중성자 방출 이중베타 붕괴를 탐색한다. 배경 수준이 10⁻³ cts/(keV·kg·yr)에 머무르며 배경이 없는 영역을 확보하여, 47.7 kg·yr의 노출 후 76Ge의 반감기 하한선을 90% 신뢰수준에서 >8.0×10²⁵ yr로 설정하였으며, 중앙 감도는 5.8×10²⁵ yr이다.

ABSTRACT

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment located at the INFN Gran Sasso Laboratory (Italy), is looking for the neutrinoless double beta decay of Ge76, by using high-purity germanium detectors made from isotopically enriched material. The combination of the novel experimental design, the careful material selection for radio-purity and the active/passive shielding techniques result in a very low residual background at the Q-value of the decay, about 1e-3 counts/(keV kg yr). This makes GERDA the first experiment in the field to be background-free for the complete design exposure of 100 kg yr. A search for neutrinoless double beta decay was performed with a total exposure of 47.7 kg yr: 23.2 kg yr come from the second phase (Phase II) of the experiment, in which the background is reduced by about a factor of ten with respect to the previous phase. The analysis presented in this paper includes 12.4 kg yr of new Phase II data. No evidence for a possible signal is found: the lower limit for the half-life of Ge76 is 8.0e25 yr at 90% CL. The experimental median sensitivity is 5.8e25 yr. The experiment is currently taking data. As it is running in a background-free regime, its sensitivity grows linearly with exposure and it is expected to surpass 1e26 yr within 2018.

연구 동기 및 목표

• 무이차 중성자 방출 이중베타 붕괴(0νββ)를 76Ge에서 탐색하여 마조라나 중성자 질량과 렙톤 수의 위반을 조사한다.
• 재료 선택, 차폐, 검출기 설계를 통해 모든 배경원인을 최소화하여 0νββ 붕괴 탐지에 배경이 없는 환경을 확보한다.
• 47.7 kg·yr의 큰 노출량을 활용하여 76Ge의 0νββ 붕괴에 대한 반감기 하한선을 엄격히 설정한다.
• 배경이 없는 영역에서 감도가 노출량에 비례하여 선형적으로 증가함을 입증하여 향후 발견 가능성을 보장한다.
• 배경 억제 기술과 검출기 성능을 검증함으로써 다음 세대의 Legend 실험을 위한 기초를 마련한다.

제안 방법

• 76Ge로 풍부화된 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기를 직접 액체 알루미늄에 잠기게 하여 자가차폐 효과를 얻는다.
• 액체 알루미늄과 폴리에틸렌을 포함한 활성 및 수동 차폐를 통해 외부 및 내재 배경을 억제하는 저배경 실험 설계를 채택한다.
• 검출기 부품과 주변 구조물의 내재 방사능을 최소화하기 위해 저방사능 재료 선별 절차를 적용한다.
• 통계적 신뢰구간을 계산하기 위해 토이 몬테카를로 시뮬레이션을 활용한 프로파일-가능도 테스트 통계량을 사용하여, 낮은 통계량 영역에서 정확한 커버리지가 보장되도록 한다.
• 신호 강도에 평탄한 사전 확률을 적용한 베이지안 분석을 통해 90% 신뢰구간을 계산하여, 편의성 결과를 보완한다.
• 에너지 캘리브레이션과 펄스 형태 분석을 통해 배경 사건을 식별하고 제거하며, Qββ = 2039 keV에서의 단일 에너지 신호를 분리하는 데 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 47.7 kg·yr의 노출량을 고려할 때, 76Ge의 무이차 중성자 방출 이중베타 붕괴에 대한 현재의 반감기 하한선은 무엇인가요?
• RQ2 GERDA는 어느 정도까지 배경이 없는 영역을 달성할 수 있으며, 이는 감도가 노출량에 따라 어떻게 스케일링되는가요?
• RQ3 GERDA의 감도는 136Xe를 사용하는 다른 주요 0νββ 붕괴 실험과 비교해 볼 때 어떻게 되나요?
• RQ4 GERDA의 0νββ 붕괴에 대한 예상 발견 가능성은 무엇이며, 감도가 언제 10²⁶ yr을 초과할 것으로 예상되나요?
• RQ5 100 kg·yr의 노출 기간 동안 10⁻³ cts/(keV·kg·yr)의 배경 수준을 유지할 수 있을지, 이로 인해 감도가 선형적으로 증가할 수 있을까요?

주요 결과

• GERDA 실험은 90% 신뢰수준에서 76Ge의 무이차 중성자 방출 이중베타 붕괴에 대한 반감기 하한선을 >8.0×10²⁵ yr로 설정하였다.
• 실험의 중앙 감도는 5.8×10²⁵ yr이며, 이는 동일한 노출량을 가진 일반적인 실험에서 예상되는 하한선을 나타낸다.
• Q-값(2039 keV)에서의 배경 수준은 10⁻³ cts/(keV·kg·yr)로 측정되었으며, 이는 GERDA가 100 kg·yr 노출에서 처음으로 배경이 없는 영역을 확보한 실험임을 뜻한다.
• Phase II의 배경는 에너지 해상도와 효율성에 따라 정규화되었을 때, BEGe(20) 및 코어럴형(5) 검출기의 경우 각각 5(20) 개의 카운트/(톤·년)로, 경쟁하는 비-76Ge 실험보다 5배 이상 우수하다.
• 아직 분석되지 않은 11.2 kg·yr의 비블라인드 코어럴형 데이터가 남아 있어, 2018년까지 중앙 감도가 10²⁶ yr을 초과할 것으로 예상된다.
• 전체 100 kg·yr 노출에 대한 예상 감도는 약 1.4×10²⁶ yr이며, 반감기가 약 ~8×10²⁵ yr 이하일 경우 3σ의 증거를 50% 확률로 주장할 수 있다.