濃縮キセノン天文台

濃縮キセノン観測所（EXO ）は、米国ニューメキシコ州カールスバッド近郊の WIPPでキセノン-136のニュートリノなし二重ベータ崩壊を探索する素粒子物理学実験です。

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊（0νββ）の検出は、ニュートリノのマヨラナ性質を証明し、ニュートリノの質量値と秩序に影響を与えると考えられます。これらは素粒子物理学における重要な未解決課題です。

EXOは現在、200キログラムのキセノン液体時間投影箱（EXO-200 ）を保有しており、トン規模の実験（ nEXO ）の研究開発に取り組んでいます。 キセノン二重ベータ崩壊が検出され、0νββの限界が設定されました。

概要

EXOは、ニュートリノを放出しない崩壊事象の発生率を、類似の信号の背景値を上回る割合で測定することで、二重ベータ崩壊の半減期を特定または制限します。この半減期は、原子核行列要素を用いて有効ニュートリノ質量と関連しています。有効ニュートリノ質量が0.01 eV未満に制限されれば、ニュートリノの質量順序が決定されます。有効ニュートリノ質量は最も軽いニュートリノ質量に依存し、その制限は通常の質量階層を示します。[ 1 ]

0νββ事象の予想発生率は非常に低いため、背景放射線は重大な問題となります。WIPPは、入射宇宙線を遮蔽するために、厚さ650メートル（2,130フィート）の岩盤（水深1,600メートル（5,200フィート）に相当）を有しています。鉛遮蔽とクライオスタットも装置を保護しています。ニュートリノを放出しない崩壊は、キセノンQ値（Q ββ = 2457.8 keV）付近のエネルギースペクトルにおいて狭いスパイクとして現れます。このQ値はかなり高く、ほとんどのガンマ崩壊よりも高い値です。

EXO-200

歴史

EXO-200は、年間40件未満のイベント発生率を、予想される崩壊エネルギーの標準偏差2以内で達成するという目標を掲げて設計されました。この目標は、すべての材料を放射能純度に基づいて選定・検査することで達成されました。当初、容器はテフロン製になる予定でしたが、最終的な設計では薄い超高純度銅が使用されています。[ 2 ] EXO-200は2007年夏にスタンフォード大学からWIPPに移設されました。 [ 3 ] 組み立てと試運転は2009年末まで続けられ、2011年5月からデータ取得が開始されました。較正は228 Th、137 Cs、および60 Coのガンマ線源を用いて行われました。

デザイン

EXO-200のプロトタイプは、150キログラム（331ポンド）の純粋な液体キセノンを充填した円筒形の銅製タイムプロジェクションチャンバーを使用しています。キセノンはシンチレータであるため、崩壊粒子が即発光を発し、これをアバランシェフォトダイオードで検出することで、イベントの時刻が特定されます。強力な電界によって電離電子がワイヤーに押し出され、そこで収集されます。光の発生から最初の収集までの時間によってイベントのZ座標が決定され、ワイヤーグリッドによって半径座標と角度座標が決定されます。

  • WIPP の地下に設置された EXO-200 クライオスタット。
    WIPP の地下に設置された EXO-200 クライオスタット。
  • WIPP の地下に設置された EXO-200 クリーンルーム。
    WIPP の地下に設置された EXO-200 クリーンルーム。

結果

地球放射能（Th/U）と137 Xe汚染によるバックグラウンドは、検出器において≈2×10 −3 counts/(keV·kg·yr)となった。Q ββ付近のエネルギー分解能は1.53%であった。[ 4 ]

2011年8月、EXO-200実験は、半減期が2.11×10 21年の136 Xeの二重ベータ崩壊を観測した最初の実験となった。 [ 5 ]これは直接観測された中で最も遅い過程である。2014年には、半減期が2.165 ±0.016(stat) ±0.059(sys) × 10 21年と改善された結果が発表された。[ 6 ] EXOは2012年に ニュートリノレスベータ崩壊の上限を1.6×10 25年とした。 [ 7 ] Nature 誌6月号で報告された、100 kg/年の曝露量での実験2回目のデータの改訂解析では、半減期の上限が1.1×10 25年、質量の上限が450 meVに引き下げられた。[ 4 ] これは、設計の検出力を確認し、提案された拡張を検証するために使用された。

2年間の追加走行を実施しました。

EXO-200は、フェーズI（2011～2014年）とアップグレード後のフェーズII（2016～2018年）の2つの科学運用を実施し、総照射量は234.1 kg/年でした。フェーズIとフェーズIIのデータを合わせたデータでは、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊の証拠は見つかっておらず、半減期の下限は年、上限は239 meVとなっています。[ 8 ]フェーズIIはEXO-200の最終運用でした。

ネクソ

トン規模の実験であるnEXO（頭字語ではありません）は、多くのバックグラウンドを克服する必要があります。EXO共同研究チームは、液体キセノン中のバリウム標識化を含む、多くの可能性を模索しています。二重ベータ崩壊事象は必ず娘バリウムイオンを残しますが、放射性不純物や中性子などのバックグラウンドは残っていません。事象発生場所にバリウムイオンが存在することを条件とすることで、全てのバックグラウンドを排除できます。バリウムイオン1個への標識化は実証されており、液体キセノンからイオンを抽出する方法も進展しています。凍結プローブ法も実証されており、ガス標識化も開発中です。[ 9 ]

2014年のEXO-200論文では、5000kgのTPCはキセノン自己遮蔽と電子工学の改良によりバックグラウンドを改善できることが示されています。直径は130cmに拡大され、遮蔽とミューオンの遮断のために水タンクが追加されます。これはガンマ線の減衰長よりもはるかに長いです。nEXO用の放射性純銅は完成しており、SNOLABの「クライオピット」に設置される予定です。[ 10 ]：17 [ 11 ]：7

2017年10月の論文では、この実験の詳細と、ニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊に対するnEXOの感度と発見の可能性について議論されています。[ 12 ] TPCのイオン化読み出しの詳細も発表されています。[ 13 ]

nEXO の事前概念設計レポート (pCDR) は 2018 年に公開されました。計画されている場所はカナダのSNOLABです。

参考文献

  1. ^ P. Vogel, A. Piepke (2007). 「ニュートリノレス二重ベータ崩壊」, W.-M. Yao et al. ( Particle Data Group ) (2006). 「Review of Particle Physics」. Journal of Physics G. 33 ( 1): 1– 1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2006JPhG...33....1Y . doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .
  2. ^ D. Leonard (2008). 「EXO-200の候補構成材料における微量放射性不純物の系統的研究」.核物理研究における計測と方法 A セクション. 591 (3): 490– 509. arXiv : 0709.4524 . Bibcode : 2008NIMPA.591..490L . doi : 10.1016/j.nima.2008.03.001 . S2CID 118334959 . 
  3. ^ 「EXOプロジェクト機器、WIPPの地下に無事設置」(PDF) (プレスリリース). DOENews . 2007年7月24日.オリジナル(PDF)から2009年3月20日時点のアーカイブ。 2008年7月21日閲覧。
  4. ^ a b Albert, JB; Auty, DJ; Barbeau, PS; Beauchamp, E.; Beck, D.; Belov, V.; Benitez-Medina, C.; Bonatt, J.; Breidenbach, M.; Brunner, T.; Burenkov, A.; Cao, GF; Chambers, C.; Chaves, J.; Cleveland, B.; Coon, M.; Craycraft, A.; Daniels, T.; Danilov, M.; Daugherty, SJ; Davis, CG; Davis, J.; Devoe, R.; Delaquis, S.; Didberidze, T.; Dolgolenko, A.; Dolinski, MJ; Dunford, M.; Fairbank Jr, W.; et al. (2014年6月12日). 「EXO-200データの最初の2年間によるマヨラナニュートリノの探索」Nature . 510 (7504): 229– 234. arXiv : 1402.6956 . Bibcode : 2014Natur.510..229T . doi : 10.1038/nature13432 . PMID 24896189 . S2CID 2740003 .  
  5. ^ N. Ackerman; et al. (2011). 「EXO-200を用いた136 Xeにおける2ニュートリノ二重ベータ崩壊の観測」 . Physical Review Letters . 107 (21) 212501. arXiv : 1108.4193 . Bibcode : 2011PhRvL.107u2501A . doi : 10.1103/PhysRevLett.107.212501 . PMID 22181874. S2CID 40334443 .  
  6. ^ Albert, JB; Auger, M.; Auty, DJ; Barbeau, PS; Beauchamp, E.; Beck, D.; Belov, V.; Benitez-Medina, C.; Bonatt, J.; Breidenbach, M.; Brunner, T.; Burenkov, A.; Cao, GF; Chambers, C.; Chaves, J.; Cleveland, B.; Cook, S.; Craycraft, A.; Daniels, T.; Danilov, M.; Daugherty, SJ; Davis, CG; Davis, J.; Devoe, R.; Delaquis, S.; Dobi, A.; Dolgolenko, A.; Dolinski, MJ; Dunford, M.; et al. (2014). 「EXO-200を用いたXe-136の2νββ半減期の改良測定」. Phys. Rev. C . 89 (1) 015502. arXiv : 1306.6106 . Bibcode : 2014PhRvC..89a5502A . doi : 10.1103/PhysRevC.89.015502 .
  7. ^ M. Auger; et al. (2012). 「EXO-200を用いた136 Xeのニュートリノレス二重ベータ崩壊の探索」 . Physical Review Letters . 109 (3) 032505. arXiv : 1205.5608 . Bibcode : 2012PhRvL.109c2505A . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.032505 . PMID 22861843. S2CID 29698686 .  
  8. ^ Anton, G.; et al. (2019年10月18日). 「EXO-200の完全データセットを用いたニュートリノレス二重$\ensuremath{\beta}$崩壊の探索」. Physical Review Letters . 123 (16) 161802. arXiv : 1906.02723 . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.161802 . PMID 31702371. S2CID 174803277 .  
  9. ^ P. Fierlinger; et al. (2008). 「薄い誘電体層のための微細加工センサー」. Review of Scientific Instruments . 79 ( 4) 045101: 045101–045101–7. arXiv : 0706.0540 . Bibcode : 2008RScI...79d5101F . doi : 10.1063/1.2906402 . PMID 18447546. S2CID 2950473 .  
  10. ^ Yang, Liang (2016年7月8日). EXO-200およびnEXO実験の現状と展望(PDF) . XXVII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (プレゼンテーション). ロンドン. 2016年11月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年11月16日閲覧。ビデオは、YouTubeのNeutrino Conference 2016 - Friday (part 1)でご覧いただけます。
  11. ^ MacLellan, Ryan (2017年9月25日). nEXO: トン規模の次世代二重ベータ崩壊実験. XV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP 2017) (プレゼンテーション).サドベリー、カナダ.
  12. ^ Albert, JB; et al. (nEXO Collaboration) (2018). 「ニュートリノレス二重ベータ崩壊に対するnEXOの感度と発見の可能性」. Physical Review C . 97 (6) 065503. arXiv : 1710.05075 . Bibcode : 2018PhRvC..97f5503A . doi : 10.1103/PhysRevC.97.065503 . S2CID 67854591 . LLNL-JRNL-737682
  13. ^ Jewell, M.; et al. (nEXO Collaboration) (2017年10月14日). 「nEXO用イオン化読み出しタイルの特性評価」. Journal of Instrumentation . 13 P01006. arXiv : 1710.05109 . doi : 10.1088/1748-0221/13/01/P01006 . S2CID 56297955 . 

北緯32度22分18秒 西経103度47分37秒 / 北緯32.37167度、西経103.79361度 / 32.37167; -103.79361

「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Enriched_Xenon_Observatory&oldid=1334231151#nEXO」から取得