[论文解读] Measurement of the double beta decay half-life of Nd-150 and search for neutrinoless decay modes with the NEMO-3 detector

Nasim Fatemi-Ghomi|ArXiv.org|May 5, 2009

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本论文基于在莫尔德地下实验室运行的NEMO-3探测器收集的924.7天数据，对150Nd的双中微子双贝塔衰变半衰期进行了迄今最精确的测量，结果为 $ T^{2\nu}_{1/2} = (9.11^{+0.25}_{-0.22} \pm 0.62) \times 10^{18} $ 年。同时，该研究对无中微子双贝塔衰变设定了新的下限 $ T^{0\nu}_{1/2} > 1.8 \times 10^{22} $ 年（90%置信水平），显著优于以往限制，并对有效电子中微子质量及轴子-中微子耦合常数施加了更强约束。

ABSTRACT

The half-life for two-neutrino double beta decay of Nd-150 has been measured with data taken by the NEMO 3 experiment at the Modane Underground Laboratory. The limits are also set on the half-life of different neutrinoless double beta decay of this isotope.

研究动机与目标

• 在先前实验的基础上，以更高精度测量150Nd的双中微子双贝塔衰变半衰期。
• 利用NEMO-3探测器的数据，搜索150Nd中无中微子双贝塔衰变。
• 对多种理论衰变模式（包括质量机制与轴子发射）的无中微子双贝塔衰变半衰期设定改进后的限制。
• 验证并量化信号区域中内部与外部背景的贡献，特别是氡气及放射性杂质的影响。
• 基于新的半衰期限制，提供对有效电子中微子质量及轴子-中微子耦合常数的更新约束。

提出的方法

• 在莫尔德地下实验室的NEMO-3探测器收集了924.7天的数据，使用了36.55克150Nd富集源箔。
• 利用追踪探测器重建粒子轨迹，并通过与光电倍增管耦合的闪烁体量能器测量能量沉积。
• 通过详细模拟与校准数据对背景进行建模与扣除，外部背景通过选择与150Nd箔相互作用的事件进行验证。
• 首次在NEMO实验中应用Profile-likelihood ratio方法，用于设定无中微子双贝塔衰变的限制，允许双中微子双贝塔背景归一化参数浮动。
• 通过改变追踪效率、箔位置及背景归一化参数评估系统误差，主要贡献来自追踪效率（5%）与箔位置（3%）。
• 分析中识别并移除了因207Bi与234mPa杂质导致的热点区域，分别出现在eγ与1e通道中。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用NEMO-3探测器，150Nd双中微子双贝塔衰变半衰期的最精确测量结果是什么？
• RQ2 150Nd中无中微子双贝塔衰变半衰期的新下限是多少？与以往限制相比有何改进？
• RQ3 哪些核素对150Nd源中的内部与外部背景贡献最为显著？
• RQ4 新限制如何约束有效电子中微子质量与轴子-中微子耦合常数？
• RQ5 150Nd中首次设限的右手中微子流与激发态无中微子双贝塔衰变模式的半衰期分别是多少？

主要发现

• 150Nd的双中微子双贝塔衰变半衰期测量结果为 $ T^{2\nu}_{1/2} = (9.11^{+0.25}_{-0.22} \pm 0.62) \times 10^{18} $ 年，为该核素迄今世界最精确的测量结果。
• 质量机制下无中微子双贝塔衰变半衰期的限制为 $ T^{0\nu}_{1/2} > 1.8 \times 10^{22} $ 年（90%置信水平），显著优于先前限制。
• 轴子模式一衰变的限制为 $ T^{0\nu\beta\beta\chi}_{1/2} > 1.6 \times 10^{21} $ 年（90% CL），优于早期结果。
• 有效电子中微子质量被约束为 $ \langle m_{\nu}\rangle < 1.5-6.3 $ eV，具体取决于核矩阵元的不确定性。
• 轴子-中微子耦合常数被约束为 $ \langle g_{M1}\rangle < (0.64-3.0) \times 10^{-4} $，与100Mo和82Se的限制一致。
• 首次为150Nd中右手中微子流、激发态及其它轴子发射模式的无中微子双贝塔衰变设定了半衰期限制。