Rare Decay Experiments for 180mTa and 208Pb* Using HPGe Detectors

Abstract

Two rare decay physics experiments using high-purity germanium (HPGe) detectors were conducted in Yangyang underground laboratory (Y2L), operated by the center for underground physics (CUP). In order to achieve desired sensitivities of rare decay experiments, the CUP array of high-purity germanium detectors (CAGe), which is an array of fourteen HPGe detectors, was designed and installed. This thesis consists of three parts: The HPGe detectors in Y2L, the rare decay of 180mTa, and the gamma transition branching ratios for the excited states of 208Pb. The CAGe was developed for the purpose of rare decay physics experiments. It consists of fourteen coaxial HPGe detectors. Each detector has a 70% relative efficiency and the total relative efficiency is 980%. Materials for the CAGe was carefully selected by radioactivity screening to reduce internal background level. The background level of the CAGe is 5.80 × 10−7 Hz/keV/kg. 180mTa is the only naturally existed isomer with natural abundance of 0.012%. Its production process in the universe is not understood well to date because the abundance of 0.012% is much lower than the expectation from the general heavy element processes, such as the r-process and the s-process. The half-life of is an important parameter for its production study. However, the half-life of 180mTa was not measured because the decay of 180mTa is expected to have a very long half-life. The latest lower-limit for the 180mTahalf-life is 4.5 × 1016 years, which was reported by Lehnert et al.. We conducted a measurement for gamma rays from the decay of 180mTa using the CAGe to measure the half-life. A 6.9 kg tantalum sample was measured for 111.2 days, and an improved lower-limit for the half-life of 180mTa was obtained in our measurement. Our result for the half-life is > 1.70 × 1017 years, and this is about 3.7 times better than the previous result by Lehnert et al.. 208Pb is a doubly magic number nuclei, and its information is very important for nuclear structure study. Most of properties for 208Pb were already well known, however, several branching ratios for rare gamma transitions in excited states of 208Pb, such as 3197.7 keV, 3475.1 keV, and 3708.4 keV gamma rays, are not identified to date. Identification of these branching ratios are desired for understanding the background events of the neutrinoless double beta (0νββ) decay search. 208Pb is the end nuclei of the 232Th decay chain, and gamma rays which are background signals for underground experiments, are emitted from the excited states of 208Pb. The latest upper-limit values of branching ratios reported by Vasil’ev et al. are 0.007%, 0.003%, and 0.004% for 3197.7 keV, 3475.1 keV, and 3708.4 keV, respectively [1]. If these upper-limits are used as the actual values, 3197.7 keV, 3475.1 keV, and 3708.4 keV gamma transitions can make non-negligible background for 0νββ decay experiments. We measured a 2.0 kg ThO2 powder for 39.5 days using a HPGe detector to identify the branching ratios for three gamma transitions. The obtained upper-limits for the branching ratios from this experiment were 1.6 × 10−4%, 1.3 × 10−4%, and 1.5 × 10−4% for 3197.7 keV, 3475.1 keV, and 3708.4 keV gamma transitions, respectively. These results are at least 20 times lower than previous results. According to simulation study, 3197.7 keV, 3475.1 keV, and 3708.4 keV gamma transitions are negligible for 0νββ decay searches if new upper-limits from this experiments are used as real branching ratios.;최근 양양 지하실험 연구실 (Y2L)에서는 고순도 저머늄 (HPGe) 검출기를 사용한 희귀 이벤트 연구 두 가지가 수행되었다. 또한 이러한 희귀 이벤트 실험이 요구하는 정밀도를 충족하기 위해, CUP array of high-purity germanium detectors (CAGe) 라고 불리는 새로운 HPGe 검출 시스템을 개발하였다. 이 논문에서는 희귀 이벤트 실험을 위한 Y2L의 HPGe 검출기 시스템 개발과 그를 이용한 두 가지 실험, ‘180mTa의 희귀 붕괴’와 ‘208Pb의 들뜬 상태에서 일어나는 희귀 감마선 전이’에 대해 다룬다. CAGe는 희귀 이벤트 실험을 전담하기 위해 개발되었다. 상대효율 70%인 HPGe 검출기 14개로 구성된 복합 검출 장비인 이 설비는 도합 980%의 상대효율을 갖는다. 장비 자체에서 발생하는 내부 배경방사능을 줄이기 위해 CAGe에 사용된 재료들은 방사선 검사를 통해 철저하게 선별되었다. CAGe의 최종 배경방사능 레벨은 5.80 ×10-7 Hz/keV/kg이다. 180mTa는 자연적으로 존재하는 유일한 이성질체이며 자연 존재비는 0.0012%에 해당한다. 이 0.0012%라는 자연 존재비는 r 프로세스나 p 프로세스와 같은 일반적인 중원소 생산 과정에서 기대되는 값보다 현저히 작으며, 따라서 이를 명확히 설명할 수 있는 이론은 아직 완전히 정립되지 않았다. 한편, 180mTa의 반감기는 그 생산 과정 연구에 사용되는 중요한 변수 중의 하나이다. 하지만 이 180mTa의 반감기는 매우 길기 때문에 아직까지 정확하게 측정된 바가 없이 하한값으로만 알려져 있다. 가장 최근에 측정된 반감기 하한값은 Lehnert 등이 발표한 4.5 × 1016 years이다. 우리를 CAGe를 사용하여 180mTa 붕괴에서 방출되는 감마를 측정하고, 그 측정값을 사용하여 180mTa의 반감기를 계산하고자 하였다. 6.9 kg의 탄탈륨 샘플이 이 실험에 사용되었으며, 측정기간은 약 111.2 일이다. 본 실험 결과, 180mTa의 반감기 하한값으로 1.70×1017 years의 값을 얻었으며, 이는 기존에 알려진 Lehnert 등의 하한값보다 약 3.7 배 향상된 값이다. 208Pb는 이중마법수(doubly magic number)의 핵자이며, 208Pb의 정보는 핵 구조 연구에 매우 유용하다. 대부분의 208Pb 특성들은 이미 잘 알려져 있지만, 그 중 208Pb의 들뜬 상태에서 전이되는 3197.9 keV, 3475.1 keV, 3708.4 keV 감마선의 분기율 같은 경우는 아직 밝혀지지 않았다. 이러한 감마 전이 분기율은 무 중성미자 이중 베타 감쇠 실험을 위한 배경방사선 연구에 있어서 중요하다. 208Pb는 232Th 붕괴 체인의 마지막 핵이며, 208Pb의 들뜬 상태에서는 지하 실험의 배경방사선이 감마선들이 방출된다. Vasil’ev 등에 의해 가장 최근에 측정된 3197.9 keV, 3475.1 keV, 3708.4 keV 전이에 대한 분기율은 각 0.007%, 0.003%, 0.004%이다. 만약 이 상한값을 실제 분기율에 적용한다면, 3197.9 keV, 3475.1 keV, 3708.4 keV 감마선들은 무 중성미자 이중 베타 감쇠 실험에 있어 무시할 수 없는 배경 이벤트를 만들어낼 가능성이 있다. 이에 정확한 분기율을 측정하고자 2kg의 ThO2 파우더 샘플을 사용한 감마선 검출 실험을 수행하였다. 본 실험 역시 HPGe 검출기가 사용되었으며 측정기간은 약 39.5 일이다. 실험 결과 얻어진 분기율은 각 3197.9 keV, 3475.1 keV, 3708.4 keV 전이에 대해 1.6×10-4 %, 1.3×10-4 %, 1.5×10-4 % 이다. 이는 기존 Vasil’ev의 결과에 비해 적어도 20 배 향상된 값이다. 시뮬레이션 연구 결과, 이번 실험으로 얻은 상한값을 실제 값으로 계산할 때, 3197.9 keV, 3475.1 keV, 3708.4 keV 감마선은 무 중성미자 이중 베타 감쇠 실험 시 무시할 수 있을 정도로 거의 방출되지 않음이 확인되었다.