[論文レビュー] Recent Results in Neutrinoless Double Beta Decay

L. J. Kaufman|arXiv (Cornell University)|May 14, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノのメジャナ型性を調べ、有効メジャナニュートリノ質量を測定することを目的として、136Xe（EXO-200、KamLAND-Zen）および76Ge（Gerda）におけるニュートリノなし二重ベータ崩壊（0νββ）の最近の実験的結果をレビューしている。136Xeについて90%信頼水準で6.2×10²⁴年未満の半減期の上限が得られ、キセノンとゲルマニウムの実験結果が整合的であることが確認された。今後の実験では、有効質量が50 meV未満の領域にまで感度を高める予定である。

ABSTRACT

The search for neutrinoless double beta decay is a rich source for new physics. The observation of this decay will lead to understanding of the absolute mass scale of neutrinos, the Majorana nature of the neutrino (whether the neutrino is its own anti-particle), and lepton number violation. Double beta decay is being investigated around the world by several experiments using different candidate isotopes. There has been much progress made in experimental techniques recently such that achieving sensitivity to neutrino masses at 50 meV and below will be possible in the near future. A summary of recent results in neutrinoless double beta decay is discussed with a look toward the experimental goals for the future.

研究の動機と目的

• 複数の同位体におけるニュートリノなし二重ベータ崩壊（0νββ）の実験的探査の現状をレビューすること。
• 進行中の実験の有効メジャナニュートリノ質量および逆転ニュートリノ質量階層への感度を評価すること。
• 136Xe や 76Ge などの同位体を対象とした、時間投影型検出器、ボロメトリック検出器、高純度ゲルマニウム検出器といった異なる実験技術の結果を比較すること。
• 最近の結果が、懸念を呼んでいた76Ge 0νββ観測の肯定的報告と整合的かどうかを評価すること。
• 逆転ニュートリノ質量階層を調べられる次世代実験への道筋を提示すること。

提案手法

• 時間投影型検出器（TPC）およびボロメトリック検出器を用いた高エネルギー分解能測定により、離散的電子エネルギー和ピークを特徴とする0νββ崩壊とバックグラウンドイベントを区別する。
• 信号感度を向上させるために、同位体で富化された源（EXO-200では80.6%の136Xe、Gerdaでは86%の76Ge）を用いる。
• 液体シンチレーターを用いた能動的遮蔽（KamLAND-Zen）、放射性不純物の少ない材料、深地下の遮蔽を含むバックグラウンド低減技術を適用する。
• エネルギースペクトルをビン化したデータに対して尤度関数フィットを施し、2νββおよび0νββ崩壊率を抽出する。0νββの関心領域（ROI）では、ブラインド解析を実施する。
• 核行列要素の計算（QRPA、RQRPA、IBM-2、GCM）を用いて、観測された半減期と有効メジャナニュートリノ質量⟨mββ⟩との関係を導出する。
• 異なる同位体および検出技術を用いた実験結果を比較することで、モデル依存性を低減し、結果の信頼性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 136Xeおよび76Geにおけるニュートリノなし二重ベータ崩壊の現在の実験的感度はどの程度であり、異なる実験の結果はどのように比較できるか？
• RQ2 T1/2 = 2.23×10²⁵ yr の76Ge 0νββ観測の主張は、現在のデータで確認されたり否定されたりするか？
• RQ3 次世代実験の有効メジャナニュートリノ質量への予想される感度はどの程度であり、特に逆転ニュートリノ質量階層の文脈でどうなるか？
• RQ4 核行列要素の不確実性は、⟨mββ⟩の観点から0νββ半減期の上限解釈にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 134Cs、214Bi、110mAg などのバックグラウンド源は、KamLAND-Zenのようなキセノンベースの実験の感度にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• KamLAND-Zen実験は、136Xeの0νββ半減期について90%信頼水準でT1/2 ≥ 6.2×10²⁴ yr の下限を報告し、これに伴い有効メジャナニュートリノ質量⟨mββ⟩の上限は260–540 meVに相当する。
• EXO-200とKamLAND-Zenの結果は互いに整合的であり、かつ以前に報告された76Ge 0νββ観測（半減期2.23×10²⁵ yr）とは矛盾する。
• 136Xeの2νββ半減期はT1/2 = 2.30±0.02（統計）±0.12（系統）×10²¹ yr と測定され、以前の測定と整合的である。
• GerdaフェーズIでは76Geの2νββ半減期がT1/2 = 1.84+0.14−0.10×10²¹ yr と測定され、予想通りの値であった。
• KamLAND-Zenにおいて134Csおよび214Biが重要なバックグラウンドとして特定され、134Csの活動は福島原発事故に起因する可能性がある。これらのバックグラウンド低減のため、キセノンの精製が進行中である。
• 次世代実験（nEXO、KamLAND-Zen、CUORE、Majorana、Gerda）は、0νββ半減期の感度を100倍以上向上させ、⟨mββ⟩の50 meV領域にまで到達することを目的として設計されている。