[논문 리뷰] The Hunt for neutrinoless double beta decay with the NEXT experiment

D. Lorca|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 03.

Neutrino Physics Research참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

NEXT 실험은 중성미자 없는 이중베타 붕괴를 탐색하기 위해 고압 키토젠 기체 시간 투과실을 전기광학적 증폭과 함께 사용하는 것을 제안한다. 이는 중성미자의 마요라나 성질을 조사하고 효과적인 전자 중성미자 질량을 측정하는 데 목적이 있다. 프로토타입인 NEXT-DEMO는 136Xe의 Q값에서 0.62% FWHM 에너지 해상도를 달성하여, 향후 NEXT-100 검출기의 기술을 검증하였으며, 이는 감도 5.9×10²⁵년과 mββ ≈ 100 meV에 도달할 수 있다.

ABSTRACT

The NEXT-100 detector will search for the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe using an electroluminescent high-pressure xenon gas TPC filled with 100 kg of enriched Xe. An observation of this hypothetical process would establish a Majorana nature for the neutrino and prove the violation of lepton number. A scaled-down prototype, NEXT-DEMO, has been built to demonstrate the feasibility of the technology. NEXT-DEMO includes an energy plane made of PMTs and a tracking plane made of SiPMs. X-ray energy depositions, produced by the de-excitation of xenon atoms after their interaction with gamma rays, have been used to characterize the detector response. With this method, the released energy by gammas coming from $^{22}$Na source has been corrected, achieving an energy resolution of 5.691% FWHM and 1.62% FWHM at the 29.7 keV and 511 keV peaks respectively, which extrapolate to 0.62% FWHM and 0.73% FWHM at Q$_{ββ}$ value of Xenon.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 없는 이중베타 붕괴(ββ0ν)를 관측하기 위한 확장 가능하고 배경이 낮은 검출기 기술을 개발하는 것.
• 고압 키토젠 기체 전기광학 시간 투과실(HPXe-EL-TPC)이 대규모 중성미자 질량 측정에 실현 가능함을 입증하는 것.
• 136Xe의 Q값(2451 keV)에서 1% 미만의 에너지 해상도를 확보하여 희귀한 ββ0ν 사건과 배경을 구분하는 것.
• 방사능 순수 재료와 위상적 사건 재구성으로 배경률을 낮춰 효과적인 마요라나 중성미자 질량이 100 meV 이하일 경우에도 감도를 확보하는 것.
• NEXT-100 설계를 프로토타입인 NEXT-DEMO를 통해 검증하고 캔프랑크 지하 실험소에서의 운영을 준비하는 것.

제안 방법

• NEXT-100 검출기는 15 bar에서 작동하는 100 kg, 90% 농축 136Xe 고압 키토젠 기체 TPC로, 에너지 측정을 위해 32.5%의 PMT 커버리지가 있다.
• 이온화 전자가 애노드 쪽으로 이동하며 전기광학을 통해 VUV 광자를 발생시키며, 이는 SiPMs로 이루어진 평면(트래킹 평면)과 PMTs로 이루어진 평면(에너지 평면)에서 감지되어 3차원 사건 재구성에 기여한다.
• 22Na 원천으로부터의 키토젠 K-껍질 X선 침착을 이용해 공간 및 에너지 응답을 校정하며, 비균일성과 전자 손실을 보정한다.
• 에너지 해상도는 22Na의 29.7 keV 및 511 keV 피크를 통해 측정되며, 전자 부착 및 압력/온도 변화에 따른 영향을 보정한다.
• 12 cm 두께의 방사능 순수 구리 셸드와 방사능 순수 재료를 사용하여 배경을 억제하며, 기대 배경률은 5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹이다.
• 이론적 감도는 T₁/₂ ∝ a·ε·√(M·t / (ΔE·B)) 관계를 사용하여 예측되며, ΔE는 프로토타입 데이터에서 136Xe Q값으로 외삽된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 키토젠 기체 전기광학 TPC는 136Xe Q값에서 1% 이하의 에너지 해상도를 확보할 수 있는가? 이는 희귀한 ββ0ν 사건을 구분하는 데에 유용한가?
• RQ2 22Na로부터의 X선 침착은 기체 키토젠 TPC에서 공간 및 에너지 응답을 보정하는 데 효과적으로 사용될 수 있는가? 특히 비균일성과 전자 손실 보정에 유용한가?
• RQ3 NEXT-100 검출기는 ββ0ν 붕괴에 대해 감도 5.9×10²⁵년을 확보하기에 충분히 낮은 배경률을 달성할 수 있는가?
• RQ4 프로토타입 측정 데이터에서 외삽한 에너지 해상도는 NEXT-100에서 얼마이며, 2451 keV Q값 피크를 해상도로 구분할 수 있는가?
• RQ5 NEXT-100에서 에너지 측정과 트래킹의 조합은 주요 배경원과의 위상적 차별화를 가능하게 하는가?

주요 결과

• NEXT-DEMO는 29.7 keV에서 5.691% FWHM, 511 keV에서 1.62% FWHM의 에너지 해상도를 확보하였으며, 검출기 비균일성과 전자 손실 보정을 적용하였다.
• 136Xe Q값(2451 keV)으로 외삽한 결과, 29.7 keV 피크에 대해 기대 에너지 해상도는 0.62% FWHM, 511 keV 피크에 대해 0.73% FWHM이며, 이는 포isson 제한된 광자 쇼트 노이즈를 가정한 것이다.
• NEXT-100 검출기는 5년간의 데이터 수집 후 감도 5.9×10²⁵년을 확보할 것으로 예측되며, 이는 효과적인 마요라나 중성미자 질량 약 100 meV에 해당한다.
• 키토젠 K-껍질 X선 침착은 검출기 전체 부피에서 보정 도구로 성공적으로 사용되었으며, 공간 보정 및 응답 균일화를 가능하게 하였다.
• 방사능 순수 재료와 구리 셸드의 사용으로 기대 배경률이 5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹로 낮아졌으며, 저배경 설계의 실현 가능성을 뒷받침한다.
• NEXT-100 검출기는 캔프랑크 지하 실험소에 설치가 승인되었으며, 2015년 비농축 키토젠을 사용한 운영이 계획되어 있고, 2016년 초에 농축 키토젠 물리 실험 런이 예정되어 있다.