クオーレ

北緯42°27′ 東経13°34′ / 北緯42.450° 東経13.567° / 42.450; 13.567

極低温地下稀事象観測所（CUORE ）は、イタリアのアッセルジにあるグラン・サッソ国立研究所の地下にある素粒子物理学施設です。^[1]^[2] CUOREは、これまで観測されたことのない130 Teのニュートリノなし二重ベータ崩壊の探索を主な目的として設計されました。[ 3 ^]CUOREは、^崩壊源として、また結果として生じる電子を検出するボロメータとして二酸化テルル（TeO ₂ ）結晶を使用します。CUOREは、ニュートリノなし二重ベータ崩壊の特徴的な信号、つまり観測されたエネルギースペクトルの既知の崩壊エネルギー付近の小さなピークを探索します。130 Teの場合、これはQ = 2527.518 ^± 0.013 keVです。^{[4] CUOREは、}アクシオンやWIMPなどの暗黒物質候補からの信号も探索することができます。^[1]

ニュートリノなしの二重ベータ崩壊を観測すれば、ニュートリノがマヨラナ粒子、つまり自分自身が反粒子であることが決定的に証明されるだろう。^{[5]これは、}レプトン数の保存、原子核の構造、ニュートリノの質量と特性など、素粒子物理学の多くのトピックに関連している。

CUORE共同研究には、主に米国とイタリアの物理学者が参加している。^{[6] CUOREは、イタリアの}国立原子力物理学研究所、米国エネルギー省、米国国立科学財団によって資金提供されている。

2014年9月、CUORE希釈冷凍機の試験の一環として、CUORE共同研究グループの科学者らは、容積1立方メートルの銅容器を15日間にわたって6mK（0.006K、-273.144℃）まで冷却し、これほど大きな連続容積における既知の自然宇宙最低温度の記録を樹立した。^[5]^[7]^[8]^[9]

検出器

CUORE 検出器は、低熱容量ボロメータとして使用されるTeO ₂結晶で、タワー状に配置され、希釈冷凍機を使用して大型クライオスタットで約 10 mK に冷却されます。検出器は、超高純度低放射能シールドによって、環境の熱、電磁気、およびその他の粒子背景から隔離されています。Te 二重ベータ崩壊で放出された電子からの温度スパイクは、スペクトル分析のために収集されます。検出器は、最大 2615 keV までのいくつかの主要なガンマ線を含む長い崩壊系列の最初の元素である²³² Th を使用して較正されます。

CUORE の構築にあたり、共同研究チームは、ニュートリノなしの二重ベータ崩壊で放出されるエネルギーに近いエネルギーでバックグラウンドイベントを検出器が記録する原因となる放射能汚染を最小限に抑えるためのいくつかの手順を実行しました。結晶は、中国科学院の上海陶磁器研究所で、厳格な放射能純度要件を満たして育成されました。^{[10]結晶は}、無酸素の高熱伝導銅で作られたタワー内のPTFEサポートによって固定され、クリーンルームのグローブボックス内で窒素雰囲気下で組み立てられました。銅、鉛、古代の低放射能ローマ鉛、ホウ素化ポリエチレンが検出器のシールドに使用されています。また、複数のチャネルをトリガーするイベント (宇宙線ミューオンの入射や、複数の結晶でコンプトン散乱するガンマ線など) を除外するために、同時発生アルゴリズムも使用されています。^[11]

歴史

クオリチーノは、稀少事象の探索に使用された最初の大規模ボロメータ塔であり、2003年から2008年まで運用された。62個のTeO _2結晶（¹³⁰ Te 11 kg ）を備え、一部の結晶は¹³⁰ Teに富み、他の結晶は天然同位体存在比で、若干大きい結晶と小さい結晶があった。^[12]塔の構造はCUORE塔に似ており、銅、鉛、ローマ鉛で遮蔽されていた。クオリチーノは、比較的小型の希釈冷凍機で8 mK付近で運用された。^[13]

クオリチーノの結果を利用して、CUORE検出器タワーの最終的な詳細が確定し、これら19のタワーを建設するための組み立て手順が設定されました。^[13] CUORE-0はこの組み立てラインで製造された最初の検出器タワーです。表面純度が向上し、ラドンやその他の汚染が大幅に減少した銅タワーに52個の改良されたTeO _{2結晶が搭載されていました。}^[14] CUOREタワーの組み立てが完了すると、新しいCUORE組み立て手順の最初のテストとして、2013年から2015年までクオリチーノクライオスタットで動作しました。^[15]

CUORE は CUORE-0 のスケールアップ版で、約 1 トンの質量の検出器を搭載できる特注のクライオスタットに収容されています。このクライオスタットには 988 個の 5×5×5 cm ³結晶と 741 kg の TeO _{2 (}¹³⁰ Teの 206 kg ) が含まれています。この新しいクライオスタットは極めて放射能に富んだ材料で作られており^[16]、検出器の遮蔽には古代ローマの大型鉛シールドが使用されています^[17] 。クライオスタットの外側には鉛とホウ素化ポリエチレンで作られた 73 トンの八角形のシールドがあり、検出器に到達する環境ガンマ線と中性子の数を減らしています^[16] 。個別の検出器の数が多いため、複数の検出器で同時に発生するイベントを拒否することで、宇宙線ミューオンを簡単に排除できます^[11]。

CUOREタワーは2016年8月にクライオスタットに設置され、^[18] CUOREによるデータの取得は2017年5月に開始されました。

結果

クオリチーノは2003年4月から2008年6月までデータを採取した。19.75 kg·yの^{130 Te曝露を用いた最終結果は、}T^の130 Te 0νββ半減期の90%という世界最高水準を設定した。 0ν½
> 2.8 × 10 ²⁴ yr、0νββ崩壊エネルギー付近のバックグラウンドは0.18 ± 0.01/(keV·kg·yr)であった。^[19]他の実験と一致して、アクシオン質量制限も設定された。^[20]

CUORE-0の初期性能を詳述した最初の論文は、2013年3月から9月にかけて7.1 kg/年の曝露で得られたデータを用いて2014年8月に発表され、CUORICINOと比較してバックグラウンドが6分の1に減少し、エネルギー分解能が5.7 keVであることが示された。^{[14] 0νββの制限は2015年4月に発表され、CUORE-0の9.8 kg/年の曝露とCuoricinoの曝露を組み合わせて、}Tの新しい制限が設定された。 0ν½
> 4.0×10 ²⁴年^[21]

CUOREは、0νββ領域におけるバックグラウンド目標を0.01カウント/(keVkgy)、エネルギー分解能目標を5.0keVとしている。5年後、CUOREは0νββに対する90% CL半減期感度が9.5×1025^年、有効マヨラナニュートリノ質量感度が0.05～0.13eV（使用する原子核行列要素による）になると推定されている。^[16]

CUORE実験全体の最初の結果は2018年に発表され、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らず、寿命の90%信頼区間ベイズ下限値を設定した。^{[22] 2020年と2022年には、同じ信頼水準で}^[23]年と^[24]^[25]年に新たな制限が与えられた。 $T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.5\cdot 10^{25}$ $T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}$ $T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}$

研究開発

CUPIDは「CUOREアップグレード with Particle Identification」と呼ばれ、CUORE検出器の研究開発プロジェクトです。[ 26 ]世界中のいくつ^かの研究グループがこのアップグレード用の材料の開発に取り組んでいます。^[27] CUPIDは、CUOREと同じクライオスタットで新しい検出器材料を使用することを目指しています。

ABSuRDはCUORE検出器の「背景表面放出検出器」研究開発プロジェクトである。このプロジェクトは、電離背景放射線を拒否する能力を備えたシンチレーションボロメータの開発を目的としている。[ ^28]

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外部リンク

INSPIRE-HEPにおけるCUORE実験記録
CUORE実験公式ページ
LNGSにおけるCUORE
Milan CUORE ページは 2013-12-08 にWayback Machineでアーカイブされています
バークレーグループCUOREページ
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