[論文レビュー] The NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J. Martín-Albo|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Neutrino Physics Research被引用数 12

ひとこと要約

NEXT実験は、電気光増幅を用いた高圧キセノン時間投影連合器を用い、136Xeにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を探索し、ニュートリノがメジャナ状粒子であるかどうかを検証することを目的としている。3年間の運用後、6×10²⁵年（90%信頼水準）の感度を達成する予定であり、追跡技術による優れたエネルギー分解能とバックグラウンド抑制が可能となり、10²⁶年以上の半減期の探索が可能となる。

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT) seeks to discover the neutrinoless double beta ($ββ0ν$) decay of $^{136}$Xe using a high-pressure xenon gas time projection chamber with electroluminescent amplification. The observation of $ββ0ν$ decay would prove that neutrinos are Majorana particles and that lepton number is not conserved. The NEXT detector concept offers several features of great value for $ββ0ν$-decay searches, including excellent energy resolution, tracking for the active suppression of backgrounds and scalability to large source masses. The initial phase of the NEXT project (2009-2014) was devoted to R&D with two prototypes (DEMO and DBDM) of approximately 1 kg of active xenon mass that demonstrated the performance of the detector concept. During the second phase of the project (2015-2019), the NEXT Collaboration has operated underground at the Laboratorio Subterráneo de Canfranc, in Spain, a radio-pure detector of about 5 kg of xenon mass. The goal of the current phase is the construction, commissioning and operation of the NEXT-100 detector, with a predicted sensitivity to the $β\beta0ν$ decay half-life of $6 imes10^{25}$ years (90% CL) after a run of 3 years. The Collaboration is planning as well a future tonne-scale phase to explore $ββ0ν$-decay half-lives beyond $10^{26}$ years.

研究の動機と目的

• 136Xeにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を探索し、ニュートリノがメジャナ状粒子であり、レプトン数が保存されないことを証明すること。
• NEXT-100検出器を用いて、3年間のデータ取得後、0νββ崩壊半減期に対する感度を6×10²⁵年（90%信頼水準）に達するようにすること。
• トンスケール実験に適したスケーラブルで低バックグラウンドの検出器技術の開発と実証すること。
• 将来の段階、特にNEXT-HD（高分解能）およびNEXT-BOLD（単分子蛍光イメージングによるバリウムタグ）を含め、10²⁸年以上の感度を向上させるための研究を進める。

提案手法

• NEXT検出器は、15 barで稼働する100 kgの136Xeで高濃縮されたキセノンを用いた高圧キセノンガス時間投影連合器（HPXe-TPC）を採用している。
• 荷電粒子が引き起こすイオン化および励起は、即時の蛍光光（175 nm）とドリフト電子を発生させ、アノードに近い高電場領域で電気光増幅によって増幅される。
• フォトセンサ（PMTおよびSiPM）が一次蛍光光を検出することでイベントタイミングを取得し、電気光増幅光を検出することでカルオリメトリーとトラック再構成が可能となる。
• 荷電粒子の追跡によりバックグラウンド抑制が実現され、2電子イベント（信号）と1電子イベント（主なバックグラウンド）の識別が可能となる。
• 放射性不純物を抑えた設計を採用し、銅および lead のシールド、20 bar耐圧のステンレス鋼圧力容器を用いている。
• 将来の段階では、PMTをSiPMに置き換え、バックグラウンド低減を図るとともに、低拡散性ガス混合物の最適化を進め、単分子蛍光イメージング（SMFI）によるバリウムイオンのタグ付け技術を開発する予定である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気光増幅を用いた高圧キセノン時間投影連合器は、感度の高い0νββ崩壊探索に必要なエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を達成できるか？
• RQ2 NEXT-100検出器が136Xeの0νββ崩壊半減期に対して達成可能な感度は何か？また、現在の限界値と比較するとどうか？
• RQ3 NEXT検出器技術は、トンスケールの質量にスケーリング可能であり、低バックグラウンド指数を維持できるか？
• RQ4 Ba++イオンの単分子蛍光イメージングは、0νββ崩壊イベントのバックグラウンドフリー検出を可能にするか？
• RQ5 10²⁸年以上の感度を達成するために必要な主要な技術的進歩は何か？

主な発見

• NEXT-100検出器は、3年間の運用後、136Xeの0νββ崩壊半減期に対して6×10²⁵年（90%信頼水準）の感度を達成することが予想されている。
• 2.5 MeVにおけるエネルギー分解能は1% FWHM未満であり、NEXT-Whiteプロトタイプで実証された。
• NEXT-White検出器は、トラッキング情報に基づき、2電子トラック（信号）と1電子（主なバックグラウンド）の間で強固な識別が可能であった。
• 放射性バックグラウンドの算定が行われ、低バックグラウンドの期待値と整合しており、バックグラウンドモデルの妥当性が裏付けられた。
• NEXT-100検出器のバックグラウンド指数は、最大で4×10⁻⁴ counts keV⁻¹ kg⁻¹ yr⁻¹と予想されており、高い感度が実現可能である。
• モンテカルロシミュレーションの結果、NEXT-HD段階では、特定バックグラウンド率を少なくとも1桁低減できると示唆されており、10²⁸年以上の感度向上が可能となる。