[論文レビュー] Search for neutrinoless double-beta decay with SNO+

V. Fischer|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

SNO+ は 780 トンの液体シンチレーターに 0.5% の天然テルルルムをドーピングして 130Te における中性子星無し二重ベータ崩壊を探索し、5 年間の観測で半減期感度 1.9 × 10^26 年を達成する。これは有効なメジャノウラ中性子の質量に対して 50.6 meV の制限をもたらし、逆質量階層領域を探索する。

ABSTRACT

The SNO+ experiment, located in SNOLAB, 2 kilometers underground in the Creighton mine, near Sudbury, Canada, is a large scale neutrino detector whose main purpose is to search for neutrinoless double-beta decay and thus probe the Majorana nature of the neutrino. With 780 tons of liquid scintillator loaded with tellurium, SNO+ aims at exploring the Majorana neutrino mass parameter space down to the inverted mass hierarchy region. The versatility of the SNO+ detector also allows it to detect solar and reactor neutrinos, provide a measurement of the geoneutrino flux, detect galactic core-collapse supernovae and perform nucleon decay searches. The SNO+ experiment is currently taking data with a detector fully filled with ultrapure water. The detector will be completely filled with liquid scintillator in the coming months and subsequently loaded with tellurium.

研究の動機と目的

• 130Te における中性子星無し二重ベータ崩壊の探索を通じて、中性子のメジャノウラ性を調べること。
• 有効なメジャノウラ中性子質量が 50.6 meV 未満の感度を達成することで、逆質量階層領域を探索すること。
• 同じ検出器インfraを用いて太陽中性子、原子炉中性子、地球中性子、および超新星中性子を測定すること。
• 検出器の水相を用いて 16O における核子崩壊の探索を行うこと。
• 高濃度のテルルルムを液体シンチレーターにドーピングするスケーラブルな方法を開発・実証すること、かつバックグラウンドを最小限に抑えること。

提案手法

• 宇宙線バックグラウンドを最小限に抑えるために、地下 2 km の SNOLAB に 780 トンの液体シンチレーター検出器を設置する。
• 最初は超純水で満たされた 12 メートルのアクリル容器を用い、その後液体シンチレーター（LAB + PPO）に置き換え、最終的に重量比 0.5% の天然テルルルムをドーピングする。
• 9300 個のフォトマルチプライヤー管（PMT）を用い、53% の光感度を確保して粒子相互作用に伴うシンチレーション光を検出する。
• PMT 応答および光伝送を測定するために、LED、レーザー、光ファイバー、放射性核種を用いたマルチフェーズキャリブレーションシステムを採用する。
• U および Th 汚染をそれぞれ <1.3 × 10^-15 g/g および <5 × 10^-16 g/g 以下に抑えるために、地下での純化施設を設置する。
• 波長シフト材（bis-MSB）と高い光出力（10,000 光子/MeV）を有するシンチレーション・ブレンドを用いることで、エネルギー分解能およびバックグラウンド識別能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.5% テルルルムドーピングで、SNO+ は 2 × 10^26 年未満の半減期感度を達成できるか？
• RQ2 130Te の Q 値（2527.01 keV）を中心とした関心領域における期待されるバックグラウンドスペクトルは何か？
• RQ3 液体シンチレーターにテルルルムを 3% までドーピングしても、光透過率に顕著な低下が生じないか？
• RQ4 0.5% Te ドーピングで 5 年間のデータ取得を行った場合、有効なメジャノウラ中性子質量に対する予想される制限は何か？
• RQ5 SNO+ の核子崩壊感度は、Super-Kamiokande などの他の大規模検出器と比べてどうか？

主な発見

• 0.5% テルルルムドーピングで 5 年間のデータ取得を経て、SNO+ は 130Te における中性子星無し二重ベータ崩壊の半減期感度を 1.9 × 10^26 年と予想している。
• 有効なメジャノウラ中性子質量に対する予想される制限は 50.6 meV であり、SNO+ は逆質量階層領域に位置づけられる。
• 関心領域におけるバックグラウンド源には、8B 太陽中性子の弾性散乱、内部の U/Th 汚染、外部からのガンマ線、(α,n) 反応、およびテルルルム活性化に起因する宇宙線生成核種が含まれる。
• 0.5% Te ドーピングでも、光出力は高い（10,000 光子/MeV）ままであり、光学透過率も十分に保たれるため、低エネルギー閾値および良好なエネルギー分解能が実現可能である。
• 研究では、テルルルムドーピングを 3% まで増加させても、光透過率に顕著な損失が生じないことが示されており、これにより将来の感度向上（10^27 年以上）が可能となる。
• SNO+ の水相では、すでに予備的な核子崩壊探索が可能となっており、6 ヶ月間のデータ取得で関心領域に 30 個程度のバックグラウンド事象が予想される。