マジョラーナ

検出器の列 (ターコイズ色) が見える、MAJORANA デモンストレーターの銅製真空クライオスタット。

MAJORANAプロジェクト（マジョラナと略される）は、 ⁷⁶ Geにおけるニュートリノなし二重ベータ（0νββ）崩壊を探索する国際的な取り組みである。このプロジェクトは、ハイデルベルク・モスクワ^[1]とIGEX ^[2]の共同研究によって行われた、高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を使用した以前の実験成果を基に構築されたものである。^[3]

このプロジェクトの第一段階は、技術を実証し、トン規模の実験を評価するために設計された マヨラナ・デモンストレーター（MJD ）です。

サウスダコタ州リードにあるサンフォード地下研究所の地下（1,480メートル）にある低バックグラウンド真空クライオスタットに、最大40kgの天然ゲルマニウムと濃縮ゲルマニウムの検出器を収納するクライオスタットが設置されている。デモンストレーターに続いて、この共同研究チームはGERDA共同研究チームと合併し、LEGENDと呼ばれるさらに大規模な実験を構築する予定である。^[4]

物理

このプロジェクトの目標は、 HPGe 検出器を使用して⁷⁶ Ge の 0νββ 崩壊を探すことです。0νββ を観測すると、ニュートリノがマヨラナ粒子であることが証明され、レプトン数保存則の違反が実証され、ニュートリノの質量スケールの説明としてシーソー機構が検証されます。また、ニュートリノの絶対質量にも制約が課されます。

マヨラナ・デモンストレーターの主な目的は、トン規模の実験で必要なバックグラウンドの達成可能性を実証することです。これは、0νββ Q 値2039 keV の周囲の 4 keV ウィンドウで 4 カウント/トン/年に相当し、トン規模の実験では 1 カウント/トン/年に相当します。この実験では、天然ゲルマニウムと濃縮ゲルマニウムで作られた検出器を組み合わせて使用し、Klapdor-Kleingrothaus らによる^{76 Ge での 0νββ 観測に関する物議を醸している主張 (ハイデルベルク-モスクワ実験) を確認または反証することができます。}^[5]十分に低い電子ノイズが達成されれば、デモンストレーターは WIMP とアクシオンの探索も行うことができます。

デザイン

マヨラナ実証装置は 3 つのフェーズで進行します。非濃縮ゲルマニウムの 3 ストリングを含むプロトタイプのクライオスタットが稼働中です。濃縮検出器を備えた低バックグラウンドクライオスタット 2 台が計画されており、合計 40 kg のゲルマニウムが収容されます。

電気鋳造された銅と鉛のレンガがクライオスタットを保護します。ポリエチレンがセットアップを保護し、拒否役として PMT を組み込みます。窒素フラッシングにより微量のラドンを除去します。

ポイント接触検出器

P型ポイントコンタクト（PPC）ゲルマニウム検出器が使用されています。^[6]^[7]このタイプの検出器が選ばれた理由は数多くありますが、主な理由はPPC検出器が多重散乱ガンマバックグラウンドを効率的に識別できるためです。これは、加重電位が小さな電極の近くで強くピークに達することに起因しており、電荷が電極に向かってドリフトすると、各エネルギー沈着からの明確な信号が見られる可能性が高く、したがってこれらの信号を排除することができます。その他の利点としては、小さな接点による低静電容量、電子ノイズとしきい値の低減、厚い外側のn型接点による表面アルファ崩壊の遮蔽などが挙げられます。

状態

2014年12月現在、マヨラナ実証機はサウスダコタ州リードにあるサンフォード地下研究所で建設中であった。最初のモジュールは2015年初頭に完成し、2015年後半には完全稼働が予定されている。^[8]

MALBEKは、2011年から2012年にかけてバージニア州のKURF （キンボールトン地下研究施設）で、広エネルギー（BEGe）PPCを評価するためのWIMP検出器として運用されました。接触の背景と動作が調査されました。信号は見られず、このプロジェクトは低質量WIMPの競争的な探索になる可能性があります。^[9]

データ収集は2015年6月に開始されました。2017年春からデータの取得を行い、最終的な構成が完了しました。最初の結果は2017年10月に発表されました。データ収集は2018年現在も継続されています。^[10]

2021年3月3日、マヨラナ実証装置は、LEGEND実験に備えて、濃縮ゲルマニウム検出器の稼働を停止した。濃縮ゲルマニウム検出器は、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設で2015年6月から稼働していた。2021年3月、濃縮ゲルマニウム検出器は実験装置から取り外され、 LEGEND-200実験で使用するためにイタリアのLNGSに輸送された。しかし、マヨラナ実証装置の実験装置は稼働し続けており、天然（非濃縮）ゲルマニウムで作られたゲルマニウム検出器を使用して2021年3月以降も稼働を続ける予定である（つまり、濃縮ゲルマニウム検出器のみが稼働を停止し、2021年3月にマヨラナ実証装置から取り外された）。^[11]

参考文献

^ Klapdor-Kleingrothaus, HV; et al. (2001). 「ハイデルベルク-モスクワ二重ベータ崩壊実験の最新結果」. European Physical Journal A . 12 (2): 147–154. arXiv : hep-ph/0103062 . Bibcode :2001EPJA...12..147K. CiteSeerX 10.1.1.341.9296 . doi :10.1007/s100500170022. S2CID 1249984.
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^ 「マヨラナ実験、濃縮検出器によるデータの取得を停止 | ORNL」。

文献

MAJORANAコラボレーション（2008）、MAJORANAニュートリノレス二重ベータ崩壊プログラム - 1トン規模の実験の実現可能性を確立するための研究開発計画
Phillips II, DG; et al. (2011). 「MAJORANA実験: ニュートリノなしの二重ベータ崩壊の超低バックグラウンド探索」. Journal of Physics: Conference Series . 381 (381): 012044. arXiv : 1111.5578 . Bibcode :2012JPhCS.381a2044P. doi : 10.1088/1742-6596/381/1/012044 .

[1] Klapdor-Kleingrothaus, HV; et al. (2001). 「ハイデルベルク-モスクワ二重ベータ崩壊実験の最新結果」. European Physical Journal A . 12 (2): 147–154. arXiv : hep-ph/0103062 . Bibcode :2001EPJA...12..147K. CiteSeerX 10.1.1.341.9296 . doi :10.1007/s100500170022. S2CID 1249984.

[2] Aalseth, CE; et al. (2000). 「IGEX ⁷⁶ Ge 二重ベータ崩壊実験の最近の結果」.原子核物理学. 63 (7): 1225–1228. Bibcode :2000PAN....63.1225A. doi :10.1134/1.855774. S2CID 123335600.

[MT-20180401-3] テイラー、ダン（2018年4月1日）。「宇宙に関する大規模な発見が科学者に衝撃を与える」MorningTicker.com 。 2018年4月1日閲覧。

[4] ttps://legend-exp.org/ ^{[裸のURL ]}

[5] Klapdor-Kleingrothaus HV; et al. (2004). 「1990-2003 年のグラン・サッソにおける濃縮 76Ge によるニュートリノなしの二重ベータ崩壊の探索」Physics Letters B . 586 (3–4): 198–212. arXiv : hep-ph/0404088 . Bibcode :2004PhLB..586..198K. doi : 10.1016/j.physletb.2004.02.025 .

[6] Luke P.; et al. (1989). 「低容量大容量成形フィールドゲルマニウム検出器」. IEEE Transactions on Nuclear Science . 36 (1): 926–930. Bibcode :1989ITNS...36..926L. doi :10.1109/23.34577.

[7] ^ Barbeau P.; et al. (2007). 「大質量超低ノイズゲルマニウム検出器：ニュートリノおよび宇宙粒子物理学における性能と応用」。Journal of Cosmology and Astroparticle Physics。2007 (9): 009。arXiv : nucl-ex/0701012。Bibcode : 2007JCAP ... 09..009B。doi :10.1088/1475-7516/2007/09/009。S2CID 16344445 。

[8] Xu, W.; et al. (2015年1月13日). 「マヨラナデモンストレーター：76Geのニュートリノなし二重ベータ崩壊の探索」. Journal of Physics: Conference Series . 606 (606): 012004. arXiv : 1501.03089 . Bibcode :2015JPhCS.606a2004X. doi : 10.1088/1742-6596/606/1/012004 .

[9] 「MALBEKによる暗黒物質の探索」。第13回国際天体粒子・地下物理学会議。2014年7月8日。

[10] ジュゼッペ、ヴィンセンテ (2018). 「マヨラナ実証実験の新たな結果」。土井：10.5281/zenodo.1286900。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ)が必要です

[11] 「マヨラナ実験、濃縮検出器によるデータの取得を停止 | ORNL」。