[論文レビュー] First Evidence for Neutrinoless Double Beta Decay - and World Status of Double Beta Experiments

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus|ArXiv.org|Dec 20, 2005

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、グランサソでのヘイデルベルク・モスクワ実験で、11 kgの強化されたGe-76を用いて、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の最初の主張される証拠を提示している。4.2σの信頼水準と、(1.19+0.37−0.23)×10²⁵年という半減期により、有効ニュートリノ質量が0.2–0.6 eVであると推定され、これはマヨラナニュートリノとデゲネレート質量スケールを示唆する。同時に、R-数保存のないSUSYやレプトクォークを含む標準模型を超える物理学の制約にもなる。

ABSTRACT

The occurrence of the neutrinoless decay 0n-bb mode has fundamental consequences: first total lepton number is not conserved, and second, the neutrino is a Majorana particle. Further the effective mass measured allows to put an absolute scale of the neutrino mass spectrum. In addition, double beta experiments yield sharp restrictions also for other beyond standard model physics. These include SUSY models, leptoquarks (leptoquark-Higgs coupling),compositeness, left-right symmetric models (right-handed W boson mass), test of special relativity and of the equivalence principle in the neutrino sector and others. First evidence for neutrinoless double beta decay was given in 2001, by the HEIDELBERG-MOSCOW experiment. The HEIDELBERG-MOSCOW experiment is the by far most sensitive 0-nu-bb experiment since more than 10 years. It operated 11 kg of enriched 76Ge in the Gran Sasso. The collected statistics in the period 1990 - 2003 is 71.7 kgy. The background achieved in the energy region of the Q value for double beta decay is 0.11events/kgykeV. The two-neutrino accompanied half-life is determined on the basis of more than 100000 events to be (1.74. {+0.18}{-0.16})x10^{21}years. The confidence level for the neutrinoless signal is 4.2 sigma level (more than 5 sigma in the pulse-shape-selected spectrum). The half-life is T_{1/2}^{0ν}=(1.19{+0.37} {-0.23})x10^{25}years. The effective neutrino mass deduced is (0.2-0.6)eV (99.73% c.l.), i.e. neutrinos have degenerate masses, and consequently can considerably contribute to hot dark matter in the Universe. The sharp boundaries for other beyond SM physics, mentioned above, are comfortably competitive to corresponding results from high-energy accelerators like TEVATRON, HERA, etc. Some discussion is given on future beta-beta experiments.

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）の実験的証拠を提供すること。これは全レプトン数の破れを示し、ニュートリノがマヨラナ粒子であることを示唆する。
• 観測された0νββ崩壊率から有効電子ニュートリノ質量を特定し、ニュートリノスピンの絶対的質量スケールを確立すること。
• R-数保存のないSUSY、レプトクォーク、左右対称モデル、および特殊相対性理論と等価原理のニュートリノ系における検証を含む、標準模型を超える物理学を調査すること。
• 超高い背景低減と高い放射源強度を実現したHEIDELBERG-MOSCOW実験の世界最高の感度を示すこと。
• CUORE、NEMO、GENIUSなどの将来の実験が、主張された0νββ信号の確認または否定にどのように寄与できるかを評価すること。

提案手法

• 実験は、86%に強化された高純度p型ゲルマニウム検出器10.96 kgを用い、二重ベータ崩壊事象の源および検出器として機能した。
• 1990年8月から2003年11月にかけて連続してデータ収集が行われ、宇宙線背景を最小限に抑えるためにグランサソ地下実験所で71.7 kg·yの露出量が得られた。
• エネルギー分解能が0.2%以下という高精度により、2ニュートリノモードとは区別できない低分解能実験とは異なり、0νββ信号の明確な分離が可能になった。
• Q値領域での背景は、0.113 ± 0.007 事象/kg·y·keVにまで低減され、以前の実験と比べて10⁴倍の改善が達成された。
• 統計解析ではパルス形状選別を適用して信号対背景比を向上させ、0νββ信号の信頼水準が4.2σに達した。
• 有効ニュートリノ質量は、0νββ崩壊の半減期と理論的核行列要素を用いて抽出され、99.73%信頼水準で0.2–0.6 eVの範囲となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ge-76において、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の実験的証拠は存在するか？ これはレプトン数の破れとニュートリノのマヨラナ性を示唆するか？
• RQ2 観測された0νββ崩壊率から導かれる有効電子ニュートリノ質量は何か？ これはニュートリノの絶対的質量スケールにどのような意味を持つのか？
• RQ3 結果は、R-数保存のないSUSYやレプトクォーク結合といった、標準模型を超える物理学をどの程度制約するか？
• RQ4 CUORE や NEMO といった将来の実験が、ヘイデルベルク・モスクワ実験が主張する0νββ信号を独立に確認または否定できるか？
• RQ5 現在および次世代の実験が、0νββ信号の明確な確認を達成するにあたり、技術的および統計的課題は何か？

主な発見

• ヘイデルベルク・モスクワ実験は、0νββ崩壊領域に4.2σの過剰を観測した。パルス形状選別スペクトルでは5σを超える有意水準に達し、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の最初の主張される証拠を提供した。
• Ge-76の0νββ崩壊の半減期は(1.19+0.37−0.23)×10²⁵年と測定され、99.73%信頼水準での有効ニュートリノ質量の上限は0.2–0.6 eVに相当した。
• 2ニュートリノ二重ベータ崩壊の半減期は(1.74+0.18−0.16)×10²¹年と決定され、以前の観測と整合的であり、背景チェックとしても機能した。
• 実験はQ値領域で0.113 ± 0.007 事象/kg·y·keVの背景レベルに達し、これは以前のゲルマニウムベース実験と比べて10⁴倍の改善であった。
• 11 kgの強化Ge-76実験の感度は、1.2トンの天然ゲルマニウム実験と同等であり、0νββ探索分野における世界最高の地位を示した。
• CUORE や GENIUS といった将来の実験は、背景レベルが著しく低減されない限り、実用的な時間内にこの結果を確認することは難しいだろう。一方、NEMOは現在の感度ではこの主張を検証するには不十分である。