[论文解读] Final Result of the MAJORANA DEMONSTRATOR's Search for Neutrinoless Double-$β$ Decay in $^{76}$Ge

I. J. Arnquist, F. T. Avignone+58 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2022

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

Majorana演示器完成了对 $^{76}$Ge 中无中微子双贝塔衰变的最终搜索，其在 $Q_{\beta\beta}$ 处的能量分辨率约为 2.5 keV，并在 90% 置信水平下设定了 $T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$ 年的半衰期极限。该结果给出了有效马约拉纳中微子质量的上限 $m_{\beta\beta} < 269$ meV，为全球范围探究中微子本质并检验弱相互作用大质量粒子的马约拉纳性质做出了贡献。

ABSTRACT

The MAJORANA DEMONSTRATOR searched for neutrinoless double-$β$ decay ($0νββ$) of $^{76}$Ge using modular arrays of high-purity Ge detectors operated in vacuum cryostats in a low-background shield. The arrays operated with up to 40.4 kg of detectors (27.2 kg enriched to $\sim$88\% in $^{76}$Ge). From these measurements, the DEMONSTRATOR has accumulated 64.5 kg yr of enriched active exposure. With a world-leading energy resolution of 2.52 keV FWHM at the 2039 keV $Q_{ββ}$ (0.12\%), we set a half-life limit of $0νββ$ in $^{76}$Ge at $T_{1/2}&gt;8.3 imes10^{25}$ yr (90\% C.L.). This provides a range of upper limits on $m_{ββ}$ of $(113-269)$ meV (90\% C.L.), depending on the choice of nuclear matrix elements.

研究动机与目标

• 利用高纯度锗探测器搜索 $^{76}$Ge 中的无中微子双贝塔衰变（$0\nu\beta\beta$）。
• 为 $^{76}$Ge 中 $0\nu\beta\beta$ 衰变设定严格的半衰期极限，以约束有效马约拉纳中微子质量。
• 展示超低本底技术与能量分辨率，这些对下一代实验至关重要。
• 验证实验方法与本底抑制技术，以支持 LEGEND 计划。
• 为全球努力确定中微子是否是其自身反粒子做出贡献。

提出的方法

• 在桑福德地下研究设施的低本底、超低温地下探测器中，使用富集至 80% 的高纯度 $^{76}$Ge 探测器。
• 在 $Q_{\beta\beta} = 2039$ keV 处实现了约 2.5 keV 的能量分辨率，为迄今 $0\nu\beta\beta$ 实验中最佳。
• 实施了脉冲波形分辨（PSD）截断，包括一种对 n 型锗表面电荷沉积敏感的新颖 PSD 截断。
• 使用 $^{56}$Co 作为校准源，以校正 PSD 效率中的能量依赖性系统误差。
• 采用了先进的本底抑制技术，包括超纯材料和主动屏蔽，实现了按能量分辨率归一化后的第二低本底指数。
• 结合了多种探测器构型的数据，并应用 QRPA、SM、IBM 和 EDF 模型的核矩阵元计算，推导出 $m_{\beta\beta}$ 的极限。

Figure 1: The measured energy spectrum above 100 keV for the full enriched exposure after applying multiplicity and data cleaning cuts (dark gray), DCR, high- $AvsE$ and LQ cuts (light gray), and the low- $AvsE$ cut (red).

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 Majorana 演示器的最终数据集，$^{76}$Ge 中无中微子双贝塔衰变的半衰期极限是多少？
• RQ2 Majorana 演示器的能量分辨率与本底抑制性能相较于其他 $0\nu\beta\beta$ 实验如何？
• RQ3 从测得的半衰期极限推导出的有效马约拉纳中微子质量 $m_{\beta\beta}$ 的上限是多少？
• RQ4 不同核矩阵元模型如何影响基于半衰期极限对 $m_{\beta\beta}$ 的解释？
• RQ5 在 Majorana 演示器中开发的实验技术在多大程度上支持了 LEGEND 计划的目标？

主要发现

• Majorana 演示器在 90% 置信水平下，为 $^{76}$Ge 中无中微子双贝塔衰变设定了 $T_{1/2} > 8.3 \times 10^{25}$ 年的半衰期极限。
• 该实验在 $Q_{\beta\beta} = 2039$ keV 处实现了约 2.5 keV 的能量分辨率，为迄今 $0\nu\beta\beta$ 实验中最佳。
• 演示器实现了按能量分辨率归一化后的第二低本底指数，仅低于使用液氩屏蔽的 GERDA 实验。
• 使用 $^{56}$Co 校准使能量依赖性系统误差在脉冲波形分辨截断中的校正成为可能。
• 一种对 n 型锗表面电荷沉积敏感的新颖脉冲波形分辨截断显著提升了本底抑制能力。
• 推导出的有效马约拉纳中微子质量 $m_{\beta\beta}$ 上限范围为 113 至 269 meV，具体取决于所采用的核矩阵元模型，其中 90% 置信区间的保守上限为 269 meV。

Figure 2: The measured energy spectrum for the full enriched exposure in the range of 1950-2350 keV, after applying all background cuts. The 360-keV background estimation window excludes the shaded 10 keV windows around expected gamma lines in gray, and the 10 keV window around the 2039 keV $Q_{\bet