[論文レビュー] The SuperNEMO Experiment

R. B. Pahlka|ArXiv.org|Oct 17, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

SuperNEMO実験は、モジュラー・トラッカー・カルオリメータ検出器を用いて、100–200 kgの強化82Seまたは150Nd同位体を用いた次世代の二重ベータ崩壊探索を提案している。高エネルギー分解能のトラッキングとカルオリメトリを、超低バックグラウンド材料と組み合わせることで、ニュートリノの電荷をもたない二重ベータ崩壊の半減期が10^26年であると予想される感度を達成することを目的としており、50 meVにまで達するデゲネレートニュートリノ質量階層を調べる。

ABSTRACT

The observation of neutrino oscillations has proven that neutrinos have mass. This is direct evidence of physics beyond the Standard Model. This discovery has renewed interest in neutrinoless double beta decay ($0νββ$) experiments which provide the only practical way to determine whether neutrinos are Majorana or Dirac particles. Such experiments also have the potential to determine the absolute scale of the neutrino mass and help resolve the neutrino mass hierarchy question. The NEMO-3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory) is currently one of the most sensitive searches for neutrinoless double beta decay. The main goal of SuperNEMO is to extend the sensitivity of the NEMO-3 search for neutrinoless double beta decay (and to measure two-neutrino double beta $2νββ$ decay). The two isotopes under consideration for SuperNEMO are $^{82}$Se and $^{150}$Nd. The target sensitivity is a $0νββ$ decay half-life at the level of $10^{26}$ years which will explore the degenerate neutrino mass hierarchy down to 50 meV.

研究の動機と目的

• ニュートリノの電荷をもたない二重ベータ崩壊（0νββ）を、ニュートリノのマヨラナ性を調べる手段として探査すること。
• 有効マヨラナ質量⟨mββ⟩が50 meV未満の感度をもって、絶対的ニュートリノ質量スケールを特定すること。
• 特にデゲネレートケースを含むニュートリノ質量階層を解明するために、現在の実験の範囲を拡大すること。
• 放射純度の高い材料とバックグラウンド除去技術を用いて、超低バックグラウンドレベルを達成すること。
• 段階的導入と長期運用に適した、モジュラーでスケーラブルな検出器設計を開発すること。

提案手法

• 1つのモジュールに5–7 kgの強化82Seまたは150Nd源同位体を含む、薄い箔状の源を搭載した、約20個の同一モジュールからなるモジュラー設計を採用する。
• 9層の2000個以上のセルを持つガス充填ワイヤードリフトチェンバー（ジーナー・モード）を用い、電子の軌道および頂点を再構築する。
• 約1000個のブロックに分かれたシンチレーションカロリメータを用い、低バックグラウンドのフォトマルチプライヤー管（PMT）で読み取ることでエネルギー測定を行う。
• 磁場を適用して電子と陽電子を区別し、粒子識別を向上させる。
• 源箔内のバックグラウンド汚染（208Tlおよび214Bi）を、kgあたり1μBq未満の感度で測定するためのBiPo検出器システムを採用する。
• 運動学的公式 [T₁/₂⁰ν]⁻¹ = G⁰ν |M₀ν|² ⟨mββ⟩² を用いて、観測された半減期感度と有効マヨラナ質量の関係を定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SuperNEMO実験は、ニュートリノの電荷をもたない二重ベータ崩壊の半減期が10^26年であると予想される感度を達成できるか？
• RQ2 その設計とバックグラウンド制御を考慮した場合、SuperNEMOが探査可能な有効マヨラナニュートリノ質量の最小値は何か？
• RQ3 放射純度の高い材料とバックグラウンド除去技術を用いて、大規模な二重ベータ崩壊実験で超低バックグラウンドレベルを達成するにはどうすればよいか？
• RQ4 信号対バックグラウンド比を最大化するために、最適な源同位体、トラッキング、およびカルオリメトリの組み合わせは何か？
• RQ5 SuperNEMOのモジュラー設計は、段階的導入と将来的なアップグレードに向けたスケーラビリティを実現できるか？

主な発見

• SuperNEMO検出器は、ニュートリノの電荷をもたない二重ベータ崩壊の半減期感度を(1–2) × 10^26年まで達成することを設計している。
• エネルギー分解能の目標は、Qββエネルギーで4% FWHMであり、NEMO-3の8%分解能を著しく上回る。
• プロトタイプ試験において、トラッカー系はプラズマ伝搬効率が100％に近い値を達成し、ジーナー・モードワイヤードリフトチェンバー設計の妥当性が裏付けられた。
• BiPo1プロトタイプは、90%信頼水準で208Tl汚染の上限を7.5 μBq/kgまで達成した。
• 大規模な薄いシンチレーションシートを用いたBiPo2プロトタイプは、モダン地下研究所で表面および体積汚染測定のために稼働中である。
• 共同研究グループは、4 kgの82Seの強化を完了しており、150Ndの大規模な強化について原子蒸気レーザー同位体分離法を検討中である。