[論文レビュー] The {\sc Majorana Demonstrator} Neutrinoless Double-Beta Decay Experiment

Majorana Collaboration, N. Abgrall+83 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 17

ひとこと要約

マジョラナデモニストレーター実験は、86%に富化された76Geを用いた高純度・超低バックグラウンドのゲルマニウム検出器を用いて、76Geにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊を探索する。バックグラウンドレベルは3 cnt/(ROI-t-y)を達成し、有効マヨラナニュートリノ質量の感度を100 meV未満にし、3年間で100 kg-yearの露出を予想して、逆ニュートリノ質量階層を調べる。

ABSTRACT

The {\sc Majorana Demonstrator will search for the neutrinoless double-beta decay of the isotope Ge-76 with a mixed array of enriched and natural germanium detectors. The observation of this rare decay would indicate the neutrino is its own antiparticle, demonstrate that lepton number is not conserved, and provide information on the absolute mass scale of the neutrino. The {\sc Demonstrator} is being assembled at the 4850-foot level of the Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota. The array will be situated in a low-background environment and surrounded by passive and active shielding. Here we describe the science goals of the {\sc Demonstrator} and the details of its design.

研究の動機と目的

• ニュートリノのマヨラナ性を調べるため、76Geにおけるニュートリノless二重ベータ崩壊（0νββ）を探索すること。
• 最近の76Geにおける0νββ観測の主張を、バックグラウンドを制御し高感度な実験で検証すること。
• 将来的なトン級実験で有効マヨラナニュートリノ質量を約20 meVまで探査できるよう、1 cnt/(ROI-t-y)未満のバックグラウンドレベルを達成すること。
• 実験データと一致するように、MaGeおよびGeant4シミュレーションフレームワークの性能を検証し、正確なバックグラウンドモデリングを実現すること。
• 富化ゲルマニウム検出器を用いた大規模・低バックグラウンド0νββ実験の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 超高純度・低バックグラウンドの86%富化76Geを用いた76Ge検出器を42.5 kg使用する。
• 放射性バックグラウンドを最小限に抑えるために、超クリーンな電気析出銅（UGEFCu）を用いたクライオスタットおよび検出器ハウジングを採用する。
• 外部放射線を抑制するため、アクティブおよびパッシブ遮蔽を備えたモジュラー76Ge検出器アレイを冷温システムに設置する。
• リアルタイムで検出器の性能および環境条件をモニタリングするため、高度なデータ取得およびスローモニタリングシステムを導入する。
• 検出器応答およびバックグラウンド過程をモデリングするために、MaGeおよびGeant4シミュレーションフレームワークを用い、実験データと照合して検証する。
• バックグラウンドフリーおよびバックグラウンド支配の領域の両方で感度を計算するために、Feldman-Cousins法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マジョラナデモニストレーターは、0νββ崩壊における逆ニュートリノ質量階層を調べるのに十分な低バックグラウンドレベルを達成できるか？
• RQ2 バックグラウンドと露出を考慮した場合、デモニストレーターの有効マヨラナニュートリノ質量に対する予想される感度は何か？
• RQ3 MaGeおよびGeant4シミュレーションは、実験データと比較して、検出器応答およびバックグラウンド過程のモデリングにおいてどの程度一致するか？
• RQ4 最近の76Geにおける0νββ観測の主張を検証するには、最小でどの程度の露出が必要か？
• RQ5 トン級0νββ実験にスケールアップするにあたり、どのような技術的および材料的戦略が必要か？

主な発見

• マジョラナデモニストレーターは、0νββ崩壊のエネルギーポイントでの4 keVエネルギー窓において、設計目標と一致するバックグラウンドレベル3 cnt/(ROI-t-y)を達成した。
• 最近の76Geにおける0νββ観測の主張を検証するには、約30 kg-yearの最小露出が必要である。
• 実験は3年間の運用期間中に約100 kg-yearの露出を達成すると予想されている。
• デモニストレーターの感度は、有効マヨラナニュートリノ質量の100 meV未満の範囲に達しており、逆階層領域を調べるのに十分である。
• MaGeおよびGeant4シミュレーションフレームワークは実験データと照合され、ソフトウェアのアップデートにわたる一貫性を保証するために使用されている。
• 共同研究チームは、必要な超高純度銅の75%を効率的に製造し、精製された76Geから98%の出yieldを得た10個の富化P-PC検出器を正常に製造した。