[논문 리뷰] Neutrinoless Double Beta Decay

F. Bellini, Alfonso, K.외 230명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 21.

Neutrino Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 0νββ 실험의 현재 상태와 향후 전망을 종합적으로 검토하며, ⁷⁶Ge, ⁸²Se, ¹⁰⁰Mo, ¹³⁶Xe, ¹³⁰Te와 같은 다양한 기술과 동위원소에 초점을 맞춘다. LEGEND, CUPID, SuperNEMO, nEXO, LZ 등의 주요 실험을 언급하며 에너지 분辩도 향상, 배경 억제, 검출기 R&D 분야에서의 진전을 보고한다. 여러 실험이 현재 운영 중이거나 건설 중이다.

ABSTRACT

This White Paper, prepared for the Fundamental Symmetries, Neutrons, and Neutrinos Town Meeting related to the 2023 Nuclear Physics Long Range Plan, makes the case for double beta decay as a critical component of the future nuclear physics program. The major experimental collaborations and many theorists have endorsed this white paper.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 없는 이중베타붕괴(0νββ)를 탐색하는 현재 진행 중이거나 계획 중인 실험에 대한 종합적 개요를 제공하기 위해.
• 다양한 동위원소와 탐지 기술을 사용하는 주요 0νββ 실험의 성능, 상태, 기술적 진전을 평가하기 위해.
• 전 분야에서 에너지 분辩도, 배경 억제, 검출기 기술 분야의 진전을 평가하기 위해.
• 미래 0νββ 실험을 위한 주요 과제와 유망한 길을 식별하기 위해.
• 현재 실험적 풍경을 요약하고, 중성미자의 마요라나 성질을 규명하고 효과적 마요라나 중성미자 질량을 측정하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 30개 이상의 0νββ 실험에서의 실험 데이터를 체계적으로 검토하고 정리한 것으로, 검출기 유형, 동위원소, 질량, 상태를 포함한다.
• 에너지 분辩도 향상 분석을 통해, KamLAND2-Zen에서의 검출기 개선을 통한 2배 향상 가능성을 제안한다.
• 배경 억제 기술 평가를 통해 ¹⁰C 태깅 및 재료 정제 기법을 활용하여 배경를 한 단계 낮춘 결과를 보고한다.
• 새로운 검출기 기술 평가를 통해, 빛나는 빌로미터(스키니티레이팅 볼로미터, CUPID), 고순도 Germanium 검출기(LEGEND), 액체 크세논 TPCs(LZ, XENONnT)를 포함한다.
• R&D 성과를 통합하여, 결정 제작(CUPID), 센서 통합(LMO 결정), 새로운 탐지 방법(가스 TPCs, 액체 스크린티레이터)을 포함한다.
• 검출기 질량, 동위원소, 기술, 실험 상태를 표준화된 방식으로 보고하여 실험 간 비교를 가능하게 한다.

Figure 1: Discovery sensitivities of current- and next-generation $0\nu\beta\beta$ -decay experiments for various mechanisms of lepton number violation, dominated by effective operators of dimension 5 (top panel), i.e., light neutrino exchange, and of dimension 7 (lower left panel) and dimension 9 (

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 동위원소와 기술에서 0νββ 붕괴에 대한 현재 실험 감도와 향후 발견 가능성을 어떻게 평가할 수 있는가?
• RQ2 최근의 개선 사항이 주요 0νββ 실험에서 에너지 분辩도 향상과 배경 억제에 어떻게 기여했는가?
• RQ3 CUPID와 LEGEND-1000과 같은 차세대 0νββ 검출기 개발의 핵심 기술적 과제와 진전은 무엇인가?
• RQ4 어떻게 어두운 물질 실험(LZ, XENONnT 등)이 풍부한 크세논을 통해 0νββ 탐색에 기여할 수 있는가?
• RQ5 다음 10년 내에 차세대 실험을 통해 0νββ 붕괴의 발견 가능성이 얼마나 높은가?

주요 결과

• LEGEND-200 실험은 현재 200 kg의 ⁷⁶Ge 검출기를 갖춘 채택 단계에 있으며, 효과적 마요라나 중성미자 질량에 대해 100 meV의 감도를 목표로 한다.
• CUPID-0은 리튬 도핑된 무모디트 빛나는 빌로미터의 실현 가능성을 성공적으로 입증하였으며, 4 kg의 ¹⁰⁰Mo를 사용한 프로토타입을 구현하였다.
• KamLAND-Zen-800은 배경 억제 수준을 연간 10⁻⁴ 건/keV/kg로 달성하였으며, ¹⁰C 태깅을 통해 배경를 한 단계 낮추었다.
• CUPID 관심 그룹은 고순도 결정을 위한 실현 가능한 공급업체를 식별하여 대규모 배포를 가능하게 하였다.
• KamLAND2-Zen 개선 계획에 따르면 에너지 분辩도가 2배 향상되어 0νββ 붕괴 감도가 향상될 것으로 예측된다.
• nEXO, NEXT-100, DARWIN와 같은 여러 실험들이 톤 스케일 검출기를 제안하며, 효과적 마요라나 질량에 대해 50 meV 이하의 감도를 확보할 것으로 기대된다.

Figure 2: Nuclear matrix elements ( $M_{0\nu}$ ) for the $0\nu\beta\beta$ decay ${}^{48}\mathrm{Ca}\rightarrow^{48}\mathrm{Ti}$ . Blue symbols are results from a variety of many-body methods with empirical or semi-empirical tailored interactions, as well as a mixture of schemes for treating short-ra