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Measurements of Double Beta Decay of 100Mo to the Excited States of 100Ru Using HPGe Detectors

Title
Measurements of Double Beta Decay of 100Mo to the Excited States of 100Ru Using HPGe Detectors
Authors
박수연
Issue Date
2021
Department/Major
대학원 물리학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
한인식

김정리
Abstract
The mass of neutrinos and the nature of them whether they are Majorana or Dirac particles remain unknown. The experiments for searching neutrino-less double beta (0νββ) decay can be a critical channel to discover the nature of neutrinos. Although studies on 0νββ decay can yield important findings, it will be difficult to detect 0νββ decay. However, two-neutrino double beta (2νββ) decay has been observed and can provide some useful information about 0νββ decay. This thesis discusses the detection of gammas emitted from the excited state of 100Ru produced by 2νββ decay of 100Mo and presents the measurements of the partial half-lives from the data. According to the Fermi’s beta decay theory, neutrino’s mass is related to the transition amplitude of nuclear weak decay. This amplitude is called the nuclear matrix element (NME). The deduced NME values can be different depending on the nuclear model, such as the nuclear shell model or quasi-particle random phase approximation. Considering that the mass of neutrino is expected to be extremely small (< 1.1 eV at 90% confidence level (C.L.)), it is important to determine the exact NME. Notably, because 0νββ decay has not been observed by now, the corresponding NME of 0νββ decay can only be assumed. However, if we understand NME of 2νββ decay and the nuclear structure properties, NME of 0νββ decay can be estimated, which motivates the present study. Molybdenum-100 is one of candidates for 0νββ decay experiment due to its properties, such as relative high Q-value 3034 keV. The Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment (AMoRE) in the Center for Underground Physics searches for 0νββ decay from 100Mo. After 100Mo decays to the excited states of 100Ru, gamma rays with specific energies are emitted from the deexcitation of 100Ru to the ground state. The half-life of the transition of 100Mo to the excited states of 100Ru can be measured by detecting the gamma, and the half-life result can be used further in the NME study. The high-purity germanium (HPGe) detectors are generally used for the gamma-ray spectroscopy. A single HPGe detector, named CC1, and an array of fourteen HPGe detectors, referred to CAGe, are installed in the YangYang underground Laboratory for experiments of rare decay physics. To acquire precise experimental data, the detection efficiencies have been calibrated by establishing dead layers for each detector of CAGe in GEANT4 simulation. We measured the half-lives for 2νββ decay of 100Mo to the first and the second excited states of 100Ru by measuring four samples of 100Mo-enriched powders using CC1 and CAGe. The 100MoO3 powders are one of the raw constituent materials of the AMoRE crystals. The latest data by NEMO-3 group for transitions of 100Mo to the first and the second excited states of 100Ru are > 25 x 10^20 years at 90% C.L. and {7.5 +/- 0.6 (stat) +/- 0.6 (syst)} x 10^20 years, respectively. The most precise half-life measurement results among our four experiments are > 71 x 10^20 years at 90% C.L. and {7.9 +/- 0.4 (stat) +/- 0.9 (syst)} x 10^20 years, respectively. We measured 2.9 times longer lower limit compared to NEMO-3 group’s result on the half-life of the transition to the first excited state. For the transition to second excited state, the observed half-life values are consistent with each other within total uncertainty.;중성미자의 질량, 그리고 중성미자가 마요라나 혹은 디랙 입자 인지에 대한 여부는 아직 밝혀지지 않았다. 중성미자를 방출하지 않는 이중베타 (0νββ) 붕괴를 탐색하는 실험은 중성미자의 특성을 발견하는 방법이 될 수 있다. 0νββ 붕괴에 대한 연구는 중요한 결과를 얻을 수 있지만 0νββ 붕괴를 검출하는 것은 어렵다. 반면 2개의 중성미자를 방출하는 이중베타 (2νββ) 붕괴는 이미 관측된 바 있으며, 이를 관측하는 실험을 통해 0νββ 붕괴를 연구하는데 필요한 정보를 얻을 수 있다. 본 논문에서는 100Mo의 2νββ 붕괴로 생성된 100Ru의 들뜬 상태에서 방출된 감마의 측정과 수집한 데이터로부터 측정한 반감기 결과에 대해 논의한다. 페르미의 베타 붕괴 이론에 따르면, 중성미자의 질량은 약한 상호작용에 의한 핵 붕괴의 전이 확률과 관련이 있다. 이 확률을 핵 행렬 요소라고 한다. 핵 껍질 모형, 준입자 무작위 위상 근사와 같은 핵 모델에 따라 다른 값의 핵 행렬 요소가 도출될 수 있다. 중성미자의 질량은 극도로 작을 것으로 예상(< 1.1 eV, 90% 신뢰 수준)되므로, 정확한 핵 행렬 요소를 결정하는 것이 중요하다. 특히, 0νββ 붕괴는 현재까지 관측된 적이 없으므로 0νββ 붕괴에 대한 핵 행렬 요소는 추정만이 가능하다. 그러나 2νββ 붕괴의 핵 행렬 요소와 핵 구조에 관련한 특성에 대해 이해한다면, 0νββ 붕괴의 핵 행렬 요소를 가정할 수 있다. 이는 본 연구에 동기를 부여하였다. 상대적으로 높은 Q-value(3034 keV)를 가지며 원심분리법을 통해 정제가 가능한 100Mo은 0νββ 붕괴 실험을 위한 후보 핵 중 하나로 꼽힌다. 지하실험연구단의 아모레 그룹은 100Mo 에서의 0νββ 붕괴를 관측하고자 한다. 100Mo가 100Ru의 들뜬 상태로 붕괴하면 이 100Ru은 바닥 상태로 하방 천이를 하며 특정 에너지를 가진 감마를 방출한다. 방출된 감마를 측정함으로써 100Mo가 100Ru의 들뜬 상태로 전이할 때의 반감기를 구할 수 있고, 그 반감기 측정 결과값은 핵 행렬 요소 연구에 이용할 수 있다. 높은 에너지 분해능을 가진 고순도 게르마늄 (HPGe) 검출기는 감마선분광기로 많이 사용된다. 양양지하실험실에는 희귀하게 일어나는 물리 현상 실험을 위해 개발된 단일 HPGe 검출기인 CC1과 14 개의 HPGe 검출기가 배열된 CAGe가 설치되어있다. 수집한 데이터에서 정확한 실험 결과를 얻기 위해 GEANT4 전산 모사에 CAGe의 각 검출기에 대한 비 활동 영역을 설정함으로써 검출 효율을 영점 보정하였다. CC1과 CAGe를 사용하여 고농축 100Mo 분말 시료를 측정함으로써 100Mo가 100Ru의 첫번째와 두번째 들뜬 상태로 2νββ 붕괴할 때의 반감기를 측정하였다. 고농축 100Mo 분말은 아모레 크리스탈의 원료 구성 물질 중 하나이다. NEMO-3 그룹에서 발표한 최신 자료에 따르면, 100Mo가 100Ru의 첫번째와 두번째 들뜬 상태로 붕괴하는 반감기는 각각 > 25 x 10^20 년(90% 신뢰 수준)과 {7.5 +/- 0.6 (stat) +/- 0.6 (syst)} x 10^20 년 이다. 본 연구에서 수행한 4번의 실험 중, 오차가 가장 낮은 반감기 측정 결과는 > 71 x 10^20 년(90% 신뢰 수준)과 {7.9 +/- 0.4 (stat) +/- 0.9 (syst)} x 10^20 년 이다. 본 연구를 통해 첫번째 들뜬 상태로의 전이에 대해 NEMO-3 그룹보다 2.9 배 더 높은 하한 값을 측정하였으며, 두번째 들뜬 상태로의 전이에 대해서는 두 측정값이 오차 내에서 서로 일치한 결과를 나타냈다.
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일반대학원 > 물리학과 > Theses_Ph.D
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