[論文レビュー] Single Molecule Fluorescence Imaging as a Technique for Barium Tagging in Neutrinoless Double Beta Decay

B. J. P. Jones, A.D. McDonald+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、136Xeの無ニュートリノ双ベータ崩壊で生成されるバリウムイオンを検出するために、単分子蛍光イメージング（SMFI）を提案する。バナジウム感受性染料をコーティングしたファイバー結合全内反射蛍光（TIRF）センサを用い、水中試験で85の信号対背景比を達成した。これは単イオン感度を示し、将来の高圧キセノンガス検出器への応用に向けた手法の妥当性を裏付けている。

ABSTRACT

Background rejection is key to success for future neutrinoless double beta decay experiments. To achieve sensitivity to effective Majorana lifetimes of $\sim10^{28}$ years, backgrounds must be controlled to better than 0.1 count per ton per year, beyond the reach of any present technology. In this paper we propose a new method to identify the birth of the barium daughter ion in the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe. The method adapts Single Molecule Fluorescent Imaging, a technique from biochemistry research with demonstrated single ion sensitivity. We explore possible SMFI dyes suitable for the problem of barium ion detection in high pressure xenon gas, and develop a fiber-coupled sensing system with which we can detect the presence of bulk Ba$^{++}$ ions remotely. We show that our sensor produces signal-to-background ratios as high as 85 in response to Ba$^{++}$ ions when operated in aqueous solution. We then describe the next stage of this R\&D program, which will be to demonstrate chelation and fluorescence in xenon gas. If a successful barium ion tag can be developed using SMFI adapted for high pressure xenon gas detectors, the first essentially zero background, ton-scale neutrinoless double beta decay technology could be realized.

研究の動機と目的

• トンスケールの無ニュートリノ双ベータ崩壊（0νββ）実験におけるバックグラウンド抑制の重要な課題に取り組むこと。バックグラウンドは1トン・1年あたり0.1カウント未満に抑える必要がある。
• 136Xe崩壊におけるバリウム娘イオンの同定法を開発すること。これにより、0νββイベントのほぼバックグラウンドフリーなシグネチャが得られる。
• 生物学的応用で単イオン感度が実証済みの単分子蛍光イメージング（SMFI）技術を、高圧キセノンガス（HPgXe）検出器に適応すること。
• 高圧キセノンガス検出器に適した乾燥・非水的環境におけるTIRFベースのファイバー結合光学センシングによるバリウムイオン検出の可能性を実証すること。

提案手法

• ファイバー表面にコーティングされたバリウム感受性染料を全内反射蛍光（TIRF）で励起し、近場領域でのエバネッセント波励起と蛍光検出を実現する。
• 分波デバイスによる分離を用いたファイバー結合光学系を採用し、TIRFで発生する蛍光光を分離・集光し、分光計に導くことで信号検出を実現する。
• 生細胞イメージングで実証済みのSMFI技術を応用し、カルシウムイオンに高い特異性と低バックグラウンドを示す染料を用いて、個々のBa++イオンを検出する。
• 光学配置の妥当性を検証するため、TIRF蛍光がファイバーに効率的に結合するかを確認する目的で、フルオレセイン溶液4 µLのドロップを用いた水中試験を実施する。
• 今後、乾燥キセノンガス中での染料の蛍光応答、Ba++捕集効率、イオンの移動特性を評価することで、高圧キセノンガスへの応用を拡張する計画である。
• Ba++イオンがドリフトする際、ファイバーの背後に配置した負に帯電したアノードにより、染料コーティング面に集束させ、検出感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非水的で高圧キセノンガス環境下において、SMFI用染料をバリウムイオン検出に効果的に使用できるか。
• RQ2 高圧キセノンガス中におけるバリウム感受性SMFI染料の蛍光量子収率およびスペクトル的性質は何か。
• RQ3 実験条件下におけるキセノンガス中での染料コーティングファイバーのバリウム捕集効率はどの程度か。
• RQ4 キセノンガス中におけるBa++イオンの移動度、拡散、および検出素子への集束効率はどのように振る舞うか。

主な発見

• ファイバー結合TIRFセンサは、水中溶液中のバルクBa++イオンに対して85の信号対背景比を達成し、高い感度と低バックグラウンドを示した。
• 分光計で検出された蛍光発光が、近場領域におけるTIRF励起由来であることが確認され、光学結合メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 4 µLのフルオレセイン溶液ドロップからの緑色蛍光が、ファイバーモードへのTIRF発光が正常に結合されたことを確認した。
• 染料コーティングが水溶性であるため、乾燥環境への適合性は保証されるが、今後の無水キセノンガス中でのテストが不可欠である。
• 結果から、SMFIを高圧キセノンガス検出器におけるバリウムタグに適応可能であることが支持され、ほぼバックグラウンドフリーな0νββ検出が可能になる可能性がある。
• キセノンガス中での良好な結果が得られれば、10^28年スケールの感度を達成するために必要な1トン・1年あたり0.1カウント未満のバックグラウンド閾値を満たす道筋が裏付けられる。