二重ベータ崩壊とニュートリノ質量 岸本忠史 阪大理

内容 ニュートリノ振動実験とニュートリノ質量 ニュートリノのタイプ 2重ベータ崩壊とマヨラナ質量 世界の研究の現状 ディラック、ワイル、マヨラナ 2重ベータ崩壊とマヨラナ質量 世界の研究の現状 地下実験施設 2重ベータ崩壊実験 阪大理での取り組み(ELEGANT V, VI, CANDLES, MOON)

ニュートリノ振動 振動 種類が変わることを観測 ニュートリノは3(or more)種類（family） 質量の差（エネルギー差） 電子タイプ、μタイプ、τタイプ、・・・・ 質量の差（エネルギー差） 混ざっている 振り子の場合だと糸で繋がっている。 振動 種類が変わることを観測 Talk by Prof. Nishikawa

ニュートリノ振動 Neutrino 質量差 ⇔ neutrino 振動 大気(Atmospheric) neutrino Kamiokande, IMB, SK, Frejus, NUSEX, Soudan2 太陽(Solar) neutrino Homestake, SAGE, GALLEX+GNO, SK, SNO BOREXINO 原子炉(Reactor) neutrino CHOOZ, Paro Verde KamLAND 加速器(Accelerator) neutrino SBL　→　LSND, KARMEN, MiniBooNE LBL　→　K2K, MINOS, CNGS

ニュートリノ質量の予測値 0.4~0.01 eV hierarchy 1,2 4,5 3 LMA solution [3] LOW-QVO solution [3] LOW-QVO solution [1] LMA solution [1] SMA solution [3] inverted hierarchy 0.4~0.01 eV

Neutrino 質量の直接測定 宇宙論からの制限 3H b – decay WMAP, Planck, Boomelang, COBE Toritzk, Maintz KARTIN 宇宙論からの制限 WMAP, Planck, Boomelang, COBE

KATRIN

MAC-E filter Magnetic Adiabatic Collimation (MAC) 立体角 最大2p エネルギーフィルター Funded

WMAP 宇宙背景輻射 （2.7 K 輻射）の Fluctuation 宇宙を満たす粒子によって構造の発展が異なる。 ニュートリノ質量

二重ベータ崩壊とニュートリノ質量 岸本忠史 　最近の振動実験からニュートリノが 質量をもつことがほぼ確立した。それ はマヨラナ質量である可能性が最も高 い。そのとき粒子⇔反粒子の変換が起 こり、ニュートリノを出さない2重ベータ 崩壊が起こりえる。フェルミによってアイ ンシュタインやディラックを超えてニュー トン、ガリレオと並ぶ天才と称されたマヨ ラナが考えたマヨラナ質量を調べるほぼ 唯一の方法である2重ベータ崩壊研究の 世界の現状を紹介する。 マヨラナ CANDLES 48Caの2重ベータ崩壊

ニュートリノのタイプ 4成分 2成分 2成分 ψL ψR 粒子 m=0 m=0 反粒子 粒子数の破れ C, P の破れ 相対論・量子論 Dirac Weyl Majorana 4成分 2成分 2成分 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ψL　ψR 粒子 m=0 m=0 反粒子 粒子数の破れ C, P の破れ

標準理論 で可能 2重ベータ崩壊 x 10-5~6

2重ベータ崩壊があると ニュートリノはマヨラナ粒子 マヨラナ質量を持つことが示されると 右巻きの世界があるかも ニュートリノだけがマヨラナ粒子であり得る 他の粒子（クォーク・レプトン）は全て荷電(Dirac)粒子 最も基本的な質量のタイプ マヨラナ質量を持つことが示されると 粒子と反粒子が繋がる 粒子数の保存則が破れる 宇宙の粒子数を作れるかも 右巻きの世界があるかも

2重ベータ崩壊 原子核 超稀現象 自然界にはバックグランドの過程がいっぱい 48Ca, 76Ge, 82Se,100Mo, AZ+1N-1 原子核 48Ca, 76Ge, 82Se,100Mo, 128Te, 130Te, 136Xe, 150Nd 陽電子崩壊 超稀現象 1020~25年 自然界にはバックグランドの過程がいっぱい 超高感度検出器開発 超低バックグランド環境⇔地下実験施設 AZN AZ+2N-2

崩壊率とマヨラナ質量 崩壊率 [T1/2]-1 / m2 (右巻きを無視) 1桁 limit を下げる → ２桁長い寿命（稀現象）の探索 2桁（最低限）多い物質量 超稀現象 低バックグランド測定

世界の地下実験施設 2重ベータ崩壊の研究 ダークマターの探索 比較のため水中での深さに換算 Boulby Soudan Sudbury Modane Homestake Canfranc 神岡 Baksan 襄陽 Gran Sasso 大塔 WIPP LSBB Sierra Grande 大塔コスモ観測所 　奈良県,　日本,　1400 m水深相当 神岡鉱山　　岐阜県,　日本,　3000 m水深相当 SUF 　スタンフォード,　米国,　17 m水深相当 Boulby 鉱山 　イングランド,　英国,　3000 m水深相当 LSM 　　Frejus,　フランス Canfranc 　　ピレネー,　スペイン,　2450 m水深相当 LNGS　　グラン＝サッソー,　イタリア,　3400 m水深相当 Sierra Grande　リオ＝ネグロ,　アルゼンチン,　1000 m水深相当 比較のため水中での深さに換算

Oto 宇宙線の強度 Gotthard Frejus 深さ

A brief history of dedicated UG Labs Gran Sasso (Italy) Early 1990’s GALLEX, LVD, MACRO, bb decay 2000 Annual Report 636 Researchers from 19 countries BOREXINO, CRESST, DAMA, DBA , EAS-TOP,GNO, HDMS, HEIDELBERG-MOSCOW bb, ICARUS, LUNA, LVD, MACRO, MIBETA Baksan (USSR -> Russia) Early 1990’s - SAGE, BUST US - failed attempts in 1980-82 period U. PENN & LANL - Yucca Mountain UC Irvine - San Jacinto

NUSL Overview (cross-section) Yates Shaft and Complex Science Operations Ross Shaft and Complex Mining and Operations Oro Hondo Exhaust Ellison Exhaust No.5 Shaft Air Intake No. 3 Shaft No. 4 Shaft No. 6 Shaft Service Shaft 4850’ 4850’ Proposed Yates Shaft Ext. No. 7 Shaft 6200’ 6800’ 7400’ 8000’ 7400’ Laboratory Area 37Cl solar neutrino

0n2重b 崩壊(世界の研究) 0nbb decay Heidelberg-Moscow IGEX ELEGANTS V, VI NEMO3, CUORE GENIUS, EXO, XMASS, MOON, CANDLES

検出器タイプ 線源と検出器が一体 線源と検出器が別 シンチレーター(シンチレーション光) 半導体検出器（イオン化電子空孔対） ボロメーター エネルギーを温度上昇で測定 線源と検出器が別 軌跡検出器 エネルギーを軌跡検出器で測定

ハイデルベルグ・モスクワ実験 10.9 kg enriched to 86% in the BB-emitter 76Ge Gran Sasso Underground Laboratory in Italy. In the Underground Lab the external muon flux is reduced by 6 orders of magnitude Digital Pulse Shape Analysis T = (0.8 - 18.3) x 1025 years (95% C.L.) m v= (0.05 - 0.84) eV (95% C.L.) Best value: m v= 0.39 eV (95% C.L.)

Ge spectrum Ge検出器の 中の2電子の エネルギー 和を測定 Analysis by Baysian Statistics

NEMO3 : Neutrino Ettore Majorana Observatory France, United-States, England, Japan, Tcheck Rep., Russia Started taking data : Feb. 2003, duration : 5 years, Laboratoire Souterrain de Modane (4800 m.w.e) Tracking detector (6180 Geiger cells in He+alcohol): Vertex st = 5 mm, sz = 1 cm Calorimeter (1940 plastic scintillators – PMTs low radioactivity) FWHM=14% (1 MeV) Bkg: gamma + neutrons shield, magnetic field, materials low radioactivity 1 sector of NEMO3 Sources bb (thickness ~ 60 mg/cm2) bb(2n) BDF 82Se (0,93 kg) Qbb = 3034 keV Qbb = 2995 keV NBkg=0,2 evts y-1 kg-1 NBkg=0,02 evts y-1 kg-1 > 8. 1024 y > 1,5 1024 y <mn> < 0,1 – 0,3 eV <mn> < 0,45 – 1,2 eV (90% C.L.) (90% C.L.)

Background in the (0) region source foil Signal Qbb 100Mo=3.038 MeV b- b- Dt = 0 ns Qbb 82Se=2.995 MeV Internal background Source contaminations b- e- Dt = 0 ns 214Bi (Qb=3.3 MeV) 208Tl (Qb=5.0 MeV) Dt = 0 ns b- b- bb(2n) decay g External background e- « Crossing e- » g Dt  3 ns Interaction of g rays produced by neutrons captures 208Tl in the PMTs e- e+e pairs- Double Compton Compton + Möller Dt = 0 ns e+ or e- In the Frejus underground laboratory: Fast neutron flux ( 1 MeV): 3.5 ± 1.5 10-6 n.cm-2s-1 Thermal neutron flux (~0.025 eV) : 1.6 ± 0.1 10-6 n.cm-2s-1

bb2n event bb EVENT OBSERVED BY NEMO-3… E1+E2= 2088 keV (Dt)mes –(Dt)theo = 0.22 ns (Dvertex) = 2.1 mm (Dvertex)// = 5.7 mm bb2n event

Energy Spectrum 100Mo S/B ~ 100 647 hours of data (14 Feb. 2003 – 31 Mar. 2003) Trigger rate = 7.5 Hz 13400 bb2n events observed (~ 0.1% of data) VERY PRELIMINARY: Absolute calibration still preliminary and laser day correction not yet included DATA Monte Carlo S/B ~ 100

阪大理での研究 ELEGANTS III 76Ge (source = det.) Solid state detector ELEGANTS V 100Mo (source  det.) Plastic scint. + chamber MOON ELEGANTS VI 48Ca (source = det.) CaF2(Eu) scintillator CANDLES 48Ca (CaF2 in Liquid scintillator)

CaF2 (ELEGANTS VI) 19F : Search for spin coupled Dark Matters large s small ambiguity between the models 48Ca : Search for 0nbb decay highest Q-value least BG expected Natural abundance 0.187% Isotope 48Ca 76Ge 82Se 100Mo 116Cd 136Xe 150Nd Q-value (MeV) 4.27 2.04 3.00 3.03 2.80 2.48 3.37 G0v×10-25 (year-1eV-2) 2.44 0.244 1.08 1.75 1.89 1.81 8.00

ELEGANT VI

遮蔽 passive shield 無酸素銅, 鉛 air-tight box + N2 gas purge (Rn in the air) LiH + paraffin, Cd sheet, H3BO3+H2O tank (neutrons) 4p active shield (べトー検出器) CaF2(Eu)+CaF2(pure) roll-off ratio (PMT side shield) Segmentation (single hit) CsI(Tl) veto detector

Roll-off ratio CaF2(pure) as light guide active shield against PMT CaF2(Eu) is not transparent for U.V. light CaF2(Eu) n = 1.44 CaF2(pure) CaF2(pure) n = 1.47 PMT PMT CaF2(Eu) Silicon oil n = 1.40 Optical grease n = 1.47 CaF2(pure)

Roll-off ratio

Oto Cosmo Observatory ELEGANT VI tunnel constructed for railroad (but not used) 470m (1.3 km water equivalent) shield 旧国鉄の五新線（奈良県五條市～和歌山県新宮市）用の鉄道トンネルだが、結局線路は敷かれず。 ELEGANT VI

Radioactive Contamination U-系列 hardware (second) trigger time window : 9 – 499 msec. Ac-系列 Th-系列 time window : 0.05 – 1.0 (0.5) sec.

time window : 0.05-1.0 sec

Contamination inside crystals Average contamination ( #2 － #24 ) U – series 1.11×10-3 Bq/kg Ac – series 3.84×10-4 Bq/kg Th – series 1.09×10-4 Bq/kg U 1.25x10-5 Bq= 1 ppt Th 0.1mBq=24.6ppt

Double Beta Decay of 48Ca Studied by ELEGANT VI BG (sim) 4104 - 4438 keV 0nbb window 2nbb(sim) Not limited by backgrounds 0.63 y

CANDLES Large volume CaF2 detector 次世代検出器 (CAlcium fluoride for studies of Neutrino and Dark matters by Low Energy Spectrometers) 2重ベータ崩壊→ニュートリノ質量 0.05 eV ダークマター 季節変化 Large volume CaF2 detector

Why 48Ca Natural abundance → 0.187% 初期の研究 (最近は濃縮同位元素のある核) 次世代 Enriched isotope → expensive (no Gas) ~10g x 2 (in the world) 初期の研究 (最近は濃縮同位元素のある核) 次世代 M / 1/T2 / M2 (only if no background) M4 if background limited 76Ge experiment (already background) 48Ca (so far no background) large Q val.

10 × 10 × 10 cm3 CaF2 crystals in 3 × 3 × 3 m3 Vessel 3.2 t CaF2 48Ca 　3.1 kg (natural) 　33 kg (2% enrich) CaF2(pure) crystal in Liquid Scintillator

Liquid Scintillator 4p active 遮蔽 passive 遮蔽 Low 放射性バックグランド decay time of the signal ～1 msec CaF2 ～10 nsec liquid scintillator passive 遮蔽 Large volume in low cost Low 放射性バックグランド U/Th ～0.1ppt, K ～1ppt purification system (U,Th,K,Rn,…) KamLAND, BOREXINO n/g , n/a バックグランド信号の弁別

CaF2(pure) 結晶 High purity (Development for excima laser) Contamination of CaF2(pure) currently ~10ppt (Th), ~5ppt(U) Collaboration with makers They make We check Long attenuation length large detector CaF2(Eu) ~13 cm CaF2(pure) long enough Low cost

世界の実験グループの目標値と CANDLES

Prototype detector (CANDLES I) 1~2 CaF2(pure) crystal(s) in liquid scintillator (with w.l. shifter) viewed by 4 PMTs (5 inch) liq. scint. : mineral oil + DPO 　　　　　　(3 g/l) + Bis-MSB (0.3 g/l)

Signal discrimination Liquid Scintillator CaF2 ratio ADC2(fast)/ADC1(total)

Signal discrimination 57Co source Signal from Liquid scintillator ADC(fast)/ADC(total) CaF2 ADC(全体)

CaF2(pure)のシンチレーション光量 （分解能） 1/3 ～1/4 of CaF2(Eu) (quart window PMT) peak emission U.V. region (275 nm) 波長変換材 in liquid scintillator 可視光 (match PMT sensitivity) 光量の増大(Light yield)

(energy resolution meas.) Light Yield vs W.L.S. DPO in mineral oil (Bis-MSB 10% of DPO) Little more L.Y. (energy resolution meas.) Study more efficient mixing ratio other solute ??

位置情報 (CANDLES I) 137Cs

CANDLES III

Further Background rejection Th chain Sum energy (Unique BG at the Q value region) Contamination in Crystals (~1/10) Background study of materials used all steps in the crystal production Reduction by pulse shape measurement (~1/100) ~1/1000 reduction

Background Ea f + Eb ~ 4 MeV f: quenching factor ~ 0.2 48Ca bb decay by ELEGANTS VI Ea f + Eb ~ 4 MeV f: quenching factor ~ 0.2 Slow CaF2 signal ~ 4 msec 2nbb Almost unique source of background above 4 MeV 1.5 orders-of-magnitude

Rejection by successive decay Flash ADC identifies successive decay No Reduction In ELEGANTS VI Currently 0.07 (30 nsec) Future 0.01 (5 nsec)

Rejection by decay time A decay signal has Short decay time Reduction 0.2 g Pulse height (total) Pulse height (tail) a total tail

2n contribution in the 0n region For 1025 year 3% EL VI 4% CANDLES (Achieved) further improvements

CANDLES IV

Mile stone ELEGANTS VI (running) CANDLES I (completed), II (construction) Prototype CANDLES III (funded and construction) 10cm3 cube (56 crystals) ~2x1024 y (0.5 eV) for 3 years CANDLES IV (funding request) 10cm3 cube (1000 crystals) 3.3 ton 2-4x1026y (~0.1 eV) for 5 years CANDLES V 30 ton or Enrichment