[论文解读] Result of the search for neutrinoless double-$β$ decay in $^{100}$Mo with the NEMO-3 experiment

R. Arnold, C. Augier+88 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文展示了NEMO-3实验在莫大地下实验室对 $^{100}$Mo 中无中微子双贝塔衰变的最终结果，基于34.3 kg·yr的曝光量。未发现 $0\nu\beta\beta$ 衰变的证据，90%置信水平下，半衰期下限为 $T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yr，对应的有效马约拉纳中微子质量上限为 $\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eV，具体取决于核矩阵元计算方法。

ABSTRACT

The NEMO-3 detector, which had been operating in the Modane Underground Laboratory from 2003 to 2010, was designed to search for neutrinoless double $β$ ($0νββ$) decay. We report final results of a search for $0νββ$ decays with $6.914$ kg of $^{100}$Mo using the entire NEMO-3 data set with a detector live time of $4.96$ yr, which corresponds to an exposure of 34.3 kg$\cdot$yr. We perform a detailed study of the expected background in the $0νββ$ signal region and find no evidence of $0νββ$ decays in the data. The level of observed background in the $0νββ$ signal region $[2.8-3.2]$ MeV is $0.44 \pm 0.13$ counts/yr/kg, and no events are observed in the interval $[3.2-10]$ MeV. We therefore derive a lower limit on the half-life of $0νββ$ decays in $^{100}$Mo of $T_{1/2}(0νββ)&gt; 1.1 imes 10^{24}$ yr at the $90\%$ Confidence Level, under the hypothesis of light Majorana neutrino exchange. Depending on the model used for calculating nuclear matrix elements, the limit for the effective Majorana neutrino mass lies in the range $\langle m_ν angle &lt; 0.33$--$0.62$ eV. We also report constraints on other lepton-number violating mechanisms for $0νββ$ decays.

研究动机与目标

• 利用莫大地下实验室的NEMO-3探测器，搜索 $^{100}$Mo 中的无中微子双贝塔衰变。
• 对 $^{100}$Mo 中 $0\nu\beta\beta$ 衰变的半衰期设定严格的下限，以检验中微子的马约拉纳性质。
• 利用校准数据、放射性源和HPGe测量结果，验证详细的本底模型，以确保探测灵敏度。
• 证明下一代SuperNEMO实验所必需的超低本底条件的可行性。
• 基于核矩阵元计算，对有效马约拉纳中微子质量施加约束。

提出的方法

• 采用NEMO-3探测器，结合追踪系统与量能器，探测双贝塔衰变产生的电子。
• 分析了完整的数据集，$^{100}$Mo 曝光量为34.3 kg·yr，相当于4.96个有效年数据采集。
• 通过量能器的详细校准和长期稳定性监测，确保能量分辨率和本底控制。
• 利用 $^{226}$Ra、$^{208}$Tl 和 $^{222}$Rn 源的数据以及安装前的HPGe测量结果，构建全面的本底模型。
• 在信号区域 $E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeV 和扩展区域 $[3.2-10]$ MeV 内进行本底研究，以验证低本底水平。
• 采用多种理论模型（Suhonen2015、Simkovic2013等）计算的核矩阵元（NME），推导有效马约拉纳中微子质量的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于完整的NEMO-3数据集，$^{100}$Mo 中无中微子双贝塔衰变的半衰期下限是多少？
• RQ2 在核矩阵元计算不确定性下，有效马约拉纳中微子质量的上限是多少？
• RQ3 在 $0\nu\beta\beta$ 信号区域中，主要的本底来源是什么？它们的建模和抑制效果如何？
• RQ4 能否将 $^{100}$Mo 衰变区域的本底水平降低至下一代SuperNEMO实验的要求？
• RQ5 测量得到的本底率与未来采用类似技术的实验所预期的本底率相比如何？

主要发现

• 在完整的NEMO-3数据集中，未观测到 $^{100}$Mo 中无中微子双贝塔衰变的证据。
• 在90%置信水平下，$0\nu\beta\beta$ 衰变半衰期的下限为 $T_{1/2}(0\nu\beta\beta) > 1.1 \times 10^{24}$ yr。
• 对应的有效马约拉纳中微子质量上限为 $\langle m_\nu \rangle < 0.33$–$0.62$ eV，具体取决于所采用的核矩阵元计算方法。
• 在 $0\nu\beta\beta$ 信号区域 $E_{\text{tot}} = [2.8-3.2]$ MeV 内，预期本底率为 $0.44 \pm 0.13$ 个计数/年/千克。
• 约一半的本底来自 $^{100}$Mo 的 $2\nu\beta\beta$ 衰变，其余本底大致均分于 $^{222}$Rn 污染（约5 mBq/m³）和 $^{100}$Mo 薄膜中的 $^{208}$Tl 污染（90–130 μBq/kg）。
• 在 $E_{\text{tot}} = [3.2-10]$ MeV 区域内，未观测到 $Q_{\beta\beta} < 3.2$ MeV 的核素或非衰变铜箔中的本底事件，证实了极低的非-$2\nu\beta\beta$ 本底水平。