[論文レビュー] CUPID: CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) Upgrade with Particle IDentification

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 39

ひとこと要約

CUPIDは、CUOREのインfraストラクチャーや専門知識を活用して、有効なメジャノナニュートリノ質量に対して10–15 meVの感度を達成する次世代のトン規模のボロメトリック実験を提案する。同実験は、同位体で強化された結晶、高度な粒子識別、厳密なバックグラウンド抑制を採用し、逆ニュートリノ質量階層を調査し、レプトン数の保存が成り立たないことを確立することを目的としている。

ABSTRACT

CUPID is a proposed future ton-scale bolometric neutrinoless double beta decay ($0νββ$) experiment to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation in the so-called inverted hierarchy region of the neutrino mass. CUPID will be built on experience, expertise and lessons learned in CUORE, and will exploit the current CUORE infrastructure as much as possible. In order to achieve its ambitious science goals, CUPID aims to increase the source mass and dramatically reduce the backgrounds in the region of interest. This requires isotopic enrichment, upgraded purification and crystallization procedures, new detector technologies, a stricter material selection, and possibly new shielding concepts with respect to the state of the art deployed in CUORE. This document reviews the science goals of CUPID, defines the scope for the near-term R&D activities, and presents a roadmap towards mounting this next-generation experiment. A separate document discusses the extensive R&D program in more detail.

研究の動機と目的

• ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）を発見し、ニュートリノのメジャノナ性を確立すること。
• 有効なメジャノナニュートリノ質量に対して10–15 meVの感度を達成することで、逆ニュートリノ質量階層を調査すること。
• 粒子識別と材料純化を用いて、関心領域におけるバックグラウンドを0.1 counts/(トン・年)未満に低減すること。
• コスト効率の高いスケーラビリティを実現するため、既存のCUOREのインfraストラクチャー、冷却システム、検出器技術を活用すること。
• 再現可能で低バックグラウンド性能を示す同位体強化、結晶製造、検出器技術のロードマップを策定すること。

提案手法

• 高純度・低バックグラウンドのボロメトリック結晶に、同位体で強化された100Mo、82Se、116Cd、または130Teを用いる。
• パルス波形解析による粒子識別を実装し、背景のアルファおよびベータ崩壊と電子様の事象を区別する。
• 2.6 MeVにおけるエネルギー分解能（≤10 keV FWHM）と低電子ノイズを備えた高度な冷却読み出しシステムを統合する。
• 内在的放射能を最小限に抑えるために、放射純度の厳しいスクリーニングと材料選定を実施する。
• 実際の条件に近い環境下で性能を検証するため、プロトタイプアレイ（8モジュール以上）を地下でテストする。
• 機械的・冷却的・データ取得システムを含む、CUOREが実証済みのボロメトリック技術を適応・スケーリングアップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トン規模のボロメトリック実験は、0νββの関心領域で0.1 counts/(トン・年)未満のバックグラウンドを達成できるか？
• RQ2 高純度・低バックグラウンドの強化結晶を1〜2トン生産するために必要な同位体強化および結晶成長技術は何か？
• RQ3 大規模ボロメトリック検出器において、パルス波形解析がアルファおよびベータ崩壊に起因する表面および体積事象を信頼性高く拒否できるか？
• RQ4 既存のCUOREインfraストラクチャーは、感度を向上させた次世代実験をサポートするためにどのように適応できるか？
• RQ5 2025年〜2030年の導入スケジュールに合わせて、強化同位体および検出器モジュールの実現可能な生産スケジュールとコストは何か？

主な発見

• CUPIDは、トン規模の検出器を10年間運用することで、有効なメジャノナニュートリノ質量に対して90％信頼区間感度が6–15 meVに達する見込みである。
• 実験は、有効なメジャノナ質量に対して3σの発見感度が6–15 meVに達する見込みであり、130Teの0νββ崩壊寿命は約4.9×10²⁴年に対応する。
• 目標感度に到達するためには、関心領域におけるバックグラウンドを0.1 counts/(トン・年)未満に低減する必要がある。
• 大規模アレイにおいても、エネルギー分解能はCUOREの水準（2.6 MeVにおける≤10 keV FWHM）を維持または上回る必要がある。
• スケーラビリティ、再現性、低ノイズ性能を検証するため、少なくとも8モジュールのプロトタイプを地下で運用する必要がある。
• 共同研究チームは、継続的な研究開発とCUOREのバックグラウンド測定に基づき、2年以内に概念設計報告書（CDR）を完了し、国際共同研究体制を構築する計画である。