[論文レビュー] Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE

DQ Adams, Christopher Alduino+112 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、130Teにおけるニュートリノ無し二重ベータ崩壊（0νββ）を探索するため、1.5トンのTeO2結晶を10 mKまで冷却するCUORE実験の最新結果を提示している。極めて高い冷却安定性と超低バックグラウンドレベルを維持して運用された本実験では、0νββ崩壊の証拠は得られず、90%信頼区間においてその半減期の下限が T₀ν¹/² > 2.2×10²⁵ yr であると設定された。これはマヨラナニュートリノの探索および低温物理学分野における顕著な前進を示している。

ABSTRACT

The possibility that neutrinos may be their own antiparticles, unique among the known fundamental particles, arises from the symmetric theory of fermions proposed by Ettore Majorana in 1937. Given the profound consequences of such Majorana neutrinos, among which is a potential explanation for the matter-antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis, the Majorana nature of neutrinos commands intense experimental scrutiny globally; one of the primary experimental probes is neutrinoless double beta ($0 u \beta \beta$) decay. Here we show results from the search for $0 u \beta \beta$ decay of $^{130}$Te, using the latest advanced cryogenic calorimeters with the CUORE experiment. CUORE, operating just 10 millikelvin above absolute zero, has pushed the state of the art on three frontiers: the sheer mass held at such ultra-low temperatures, operational longevity, and the low levels of ionising radiation emanating from the cryogenic infrastructure. We find no evidence for $0 u \beta \beta$ decay and set a lower bound of $T_{1/2}^{0 u} > 2.2 imes 10^{25}$ years at a 90% credibility interval. We discuss potential applications of the advances made with CUORE to other fields such as direct dark matter, neutrino and nuclear physics searches and large-scale quantum computing, which can benefit from sustained operation of large payloads in a low-radioactivity, ultra-low temperature cryogenic environment.

研究の動機と目的

• 130Teにおけるニュートリノ無し二重ベータ（0νββ）崩壊を、マヨラナニュートリノの探査手段として探索すること。
• ニュートリノが自身の反粒子であるという仮説を検証することにより、宇宙における物質-反物質非対称性の説明を試みること。
• 1.5トンのTeO2結晶を10 mKで安定かつ低バックグラウンドで運用することで、低温キャロリメトリーの限界を押し広げること。
• 高度なパルス波形解析とシステムティック不確実性の制御を通じて、0νββ崩壊に対する感度を向上させること。
• ミリケルビン温度域の冷却インfraストラクチャが、ダークマター探索や量子コンピューティングを含む他の分野への応用可能性を示すこと。

提案手法

• 1.5トンのTeO2結晶（合計質量742 kg、130Te含有量206 kg）を、独自に開発したジュール＝トムソン冷却器を用いて約10 mKまで冷却し、低温キャロリメータとして使用する。
• エネルギー吸収に起因する熱パルスを検出するために、中性子トランスミッションドープされたゲルマニウム（NTD-Ge）熱検出器を用い、熱的ゲイン安定化のためのシリコンヒーターを併用する。
• 主成分分析（PCA）をパルス波形に適用し、平均パルスを主成分として用い、バックグラウンド抑制のための再構成誤差指標を計算する。
• 信号とバックグラウンドをモデル化するため、BATソフトウェアを用いた非バッチ化ベイズフィットを実施し、0νββ崩壊率およびバックグラウンドパラメータに一様事前分布を適用する。
• エネルギーバイアス、エネルギー分解能、Qββ値、同位体含有比、検出効率などのずれパラメータを変化させることで、システムティック不確実性の分析を実施する。
• 感度と除外限界の算出のために、ロルケ法を用いた頻度主義的解析とトイモンテカルロシミュレーションを実施し、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1.5トンのTeO2を10 mKで運用するCUORE実験は、130Teにおける0νββ崩壊に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ2 PCAに基づくパルス波形識別法は、従来手法と比較してバックグラウンド抑制とシステムティック不確実性の低減にどの程度寄与するか？
• RQ3 4年間のデータと1トン・年露光量に基づき、130Teにおける0νββ崩壊の半減期の下限は何か？
• RQ4 特にエネルギーバイアスと分解能に起因するシステムティック不確実性が、最終的な除外限界にどのように影響するか？
• RQ5 CUOREで開発された冷却インフラストラクチャは、他のレアイベント探索や量子技術分野にどの程度応用可能か？

主な発見

• CUORE実験は、1トン・年露光量を達成した4年間の測定期間において、130Teにおけるニュートリノ無し二重ベータ崩壊の証拠を一切得られなかった。
• 90%信頼区間において、130Teにおける0νββ崩壊の半減期の下限が T₀ν¹/² > 2.2×10²⁵ yr であると設定された。これは、従来の限界に比べ顕著な改善を示している。
• PCAに基づくパルス波形識別法は、信号効率を (96.4 ± 0.2)% に達成し、従来手法比で2.4%の向上を示した。また、PSDのシステムティック不確実性は0.6%から0.3%に低減された。
• トイシミュレーションを用いて算出された実験の中央値除外感度は T₀ν¹/² > 2.9×10²⁵ yr であり、今後の可能性が極めて高いことが示された。
• 主なシステムティック不確実性はエネルギーバイアスと分解能スケーリングに起因し、ベイズフィットにおいて慎重にモデル化・取り入れられた。
• 冷却インfraストラクチャは18か月にわたる連続運用において90%の稼働率を達成し、10 mKの温度安定性が0.1%以内に保たれた。これは、この規模で前例のない性能を示している。