[论文解读] Review of Neutrinoless Double Beta Decay

pavan, maura|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

KamLAND-Zen 800 报告了 136Xe 的新的 0νββ 半衰期下限为 3.8×10^26 年（90% 置信水平），并将有效的马约拉纳中微子质量约束在 28–122 meV，与 KamLAND-Zen 400 数据结合。

ABSTRACT

Plenary talk presented at the XXI International Workshop on Neutrino Telescopes - Padova 29 September - 3 October 2025 (https://agenda.infn.it/event/44606/)

研究动机与目标

• 评估使用完整 KamLAND-Zen 数据集（800）对 136Xe 的无中微子双β衰变搜索，并与 KamLAND-Zen 400 进行结合。
• 通过增加 Xe 质量、改善能量分辨率以及降低 μ 子诱导的碎裂背景来提升灵敏度。
• 将半衰期下限转化为对有效马约拉纳中微子质量的约束，并应用不同的核矩阵元模型（NME）进行分析。）

提出的方法

• 在 KamLAND 探测器内将富集的 xenon 溶解于液体闪烁体中，并放置在一个内球面内。
• 利用光电子计数/时间分布重建事件能量和顶点，并用 Bi、Pb 和中子捕获 γ 线进行标定。
• 应用裁剪以去除 μ、Bi-Po 衰变、反应堆 ν̄_e，以及重建不良的事件；选取效率低于 0.1%。
• 对来自碎裂产物、238U/232Th 链、8B 太阳中微子及外部薄膜污染等背景进行表征与扣除。
• 在 0νββ 区间（2.35–2.70 MeV）对 SD（单事件）和 LD（长寿命）谱进行无约束背景分量的同时似然拟合。
• 将 KamLAND-Zen 800 的结果与 KamLAND-Zen 400 结合，以推导联合极限并评估灵敏度。

Figure 1: Vertex distribution of candidate singles data (SD) events (black points) in the $0\nu\beta\beta$ energy window $2.35<E<2.70\,{\rm MeV}$ . The thick black and red lines indicate the shape of the IB and the 1.57-m-radius spherical volume, respectively. The dot-dashed line indicates the nylon

实验结果

研究问题

• RQ1 使用完整的 KamLAND-Zen 数据集，136Xe 的 0νββ 半衰期极限是多少？
• RQ2 在不同的 NME 计算下，对有效马约拉纳中微子质量 ⟨mββ⟩ 的相应界限是多少？
• RQ3 曝光、能量分辨率和背景拒识的改进相对于 KamLAND-Zen 400 相位在灵敏度上有何影响？
• RQ4 长寿命 xenon 碎裂背景如何影响 0νββ 搜索，它们的标签与降低效率有多大？

主要发现

• 联合分析 KamLAND-Zen 400+800 给出 T1/2^0νββ > 3.8×10^26 yr (90% C.L.)，适用于 136Xe。
• 相应的 ⟨mββ⟩ 上限范围从 28 到 122 meV（90% C.L.），具体取决于 NME 模型。
• 在 KamLAND-Zen 800 中，最佳拟合的 0νββ 信号为 0 次，拟合背景率为 30.2±4.5 (ton yr)^−1，针对长寿命碎裂产物。
• 独特的碎裂标记与改进的中子检测大幅降低了长寿命背景，与前一阶段相比提升了灵敏度。
• 联合极限覆盖若干表型 NME 计算的倒置排序区域，对 mββ 的界限显著收紧。
• 分析表明 Xe 碎裂产物与 2νββ 尾部背景是当前的限制因素，指引未来升级方向（更多的 136Xe、∼更好的能量分辨、改进的中子标记）。

Figure 2: Energy spectra of selected $\beta\beta$ candidates within a 1.57-m-radius spherical volume drawn together with best-fit backgrounds, the $2\nu\beta\beta$ decay spectrum, and the 90% C.L. upper limit for $0\nu\beta\beta$ decay of (a) singles data (SD), and (b) long-lived data (LD). The LD e