[論文レビュー] Intrinsic Radioactivity in a GSO Crystal and Limits on Double Beta Decay of Gd-160

S.C. Wang, H.T. Wong+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2000

Neutrino Physics Research被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、低バックグラウンドニュートリノ実験におけるGSOシンチレーター結晶の実用性を評価するため、その内部放射能を測定した。時間相関解析とスペクトルフィッティングを用いて、232Thおよび238U崩壊系列に起因するバックグラウンド寄与を特定し、シミュレーションと良好な一致を示し、バックグラウンド抑制要因が10⁻²〜10⁻³に達することを示した。主な結果として、160Gdのゼロニュートリノ二重ベータ崩壊半減期の上限はT₀νββ₁/₂ > 2.0×10²⁰ y（68%信頼水準）であり、今後の実験の基準としての役割を果たす。

ABSTRACT

Scintillating crystal detector offers potential advantages in low-energy low-background experiments for particle physics and astrophysics. The GSO crystal is an interesting detector to explore for future neutrino physics experiments. The contributions to background due to the various channels of intrinsic radio-isotopes from the Th-232 and U-238 series are identified and studied with time-correlation analysis and detailed fits to the spectral shape. Good agreement is achieved between measured and simulated spectra, indicating background suppression factors to the 10^{-2} - 10^{-3} level are possible. The procedures can be adopted for background understanding and suppression in other low-count-rate experiments where the dominant source of background is from internal radioactivity. Based on 1656 hours of data taking, limits on the double beta decay half-life for the various channels in Gd-160 are presented. The limit for the neutrinoless mode is T^{0 νββ}_{1/2} > 2.0(0.8) X 10^{20} y at 68(90)% confidence level.

研究の動機と目的

• 商業的に入手可能なGSO結晶の内部放射能を定量し、低バックグラウンドニュートリノ実験への応用に向けた重要なステップを達成すること。
• 時間相関およびスペクトルフィッティング技術を用いて、232Thおよび238U崩壊系列に起因するバックグラウンド寄与を特定・特徴付けること。
• 特にゼロニュートリノおよびメジャオンモードの160Gdの二重ベータ崩壊半減期の上限を導出し、GSOが検出器材料としての実現可能性を評価すること。
• 内部放射能が主なバックグラウンド源である低カウントレート実験におけるバックグラウンド理解と抑制のための手法を構築・検証すること。

提案手法

• 1.744 kgのGSO結晶をバイオールチウム検出器（PMT）に接続し、ナトリウムヨウ化イッセリウム（NaI(Tl)）遮へいシンチレーターと lead 遮蔽を含む能動的・受動的遮蔽で取り囲んだ。
• 測定時間1656時間分のデータを、232Thおよび238U系列の核種からの崩壊鎖を特定する時間相関解析に用いた。
• 測定スペクトルと一致させるためにモンテカルロシミュレーションを用いてスペクトル形状をフィッティングし、バックグラウンド成分の特定と定量化を可能にした。
• クエンチングおよび検出効率補正を施した上で、228Ra、228Th、212Pb、212Bi、227Acなどの主要核種の活動度をフィッティングから抽出した。
• 測定スペクトルとシミュレーションスペクトルの一致に基づき、バックグラウンド抑制要因が10⁻²〜10⁻³程度であると推定した。
• 68%および90%信頼水準における統計解析を用いて、二重ベータ崩壊半減期の上限を導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 商業的GSO結晶におけるバックグラウンドを支配する主要な内部放射性核種は何か？
• RQ2 時間相関およびスペクトルフィッティング技術は、シンチレーティング結晶内の内部バックグラウンド成分をどの程度抑制・特定できるか？
• RQ3 本測定に基づき、160Gdのゼロニュートリノ二重ベータ崩壊半減期の上限は何か？
• RQ4 測定されたバックグラウンドレベルは、CsI(Tl)などの他のシンチレーターと比較してどう異なるか？これにより検出器設計にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 本研究で開発した手法は、内部放射能が主なバックグラウンド源である他の低カウントレート実験に一般化可能か？

主な発見

• 測定されたGSO結晶の内部放射能は、232Thおよび238U崩壊系列に起因し、主な寄与核種として228Ra、228Th、212Pb、212Bi、227Acが特定された。
• 時間相関およびスペクトルフィッティング手法により、測定スペクトルとシミュレーションスペクトルの間に良好な一致が得られ、バックグラウンド抑制要因が10⁻²〜10⁻³に達することが示された。
• 160Gdのゼロニュートリノ二重ベータ崩壊半減期の上限は、68%信頼水準でT₀νββ₁/₂ > 2.0×10²⁰ yである。
• 160Gdのメジャオンモード二重ベータ崩壊半減期の上限は、68%信頼水準でTχββ₁/₂ > 3.0×10¹⁹ yである。
• 90%信頼水準では、それぞれT₀νββ₁/₂ > 0.8×10²⁰ yおよびTχββ₁/₂ > 1.9×10¹⁹ yの上限が得られた。
• 本研究は、内部放射能が主なバックグラウンド源であるシンチレーティング結晶におけるバックグラウンド補正のための堅牢な手法を示しており、他の低バックグラウンド実験への応用が可能であることを示している。