160Gd 双介变搜索模拟工具开发与灵敏度分析——PIKACHU 项目
高能物理 - 实验
2025-04-24 v2 核实验
摘要
中性无双介变 (0v2b) 已被作为物理过程研究，以提供夸克费米子为证据。0v2b 速率的理论预测因核矩阵元 (NME) 而受到显著不确定性。为减少此不确定性，对 various nuclei 中两种中性双介变 (2v2b) 半衰期的实验测量是必需的，用作 NME 计算的基准。PIKACHU 项目 (位于卡美尔山地下的纯无机晶体实验) 搜索先前未观察到的 160Gd 的 2v2b 衰变，采用掺杂 Gd3Ga3Al2O12 (GAGG) 单晶。第一阶段实验旨在提高先前研究中使用掺杂 Gd2SiO5 (GSO) 单晶所得 160Gd 2v2b 半衰期下限。最终在第二阶段，项目寻求实现超过 7.4×10^20 年的灵敏度，从而可能发现 160Gd 2v2b 衰变。在本文中，我们描述了基于 GEANT4 模拟开发的背景模型。所建模的背景来自铀和硫磺衰变链、GAGG 中 40K 的存在，以及来自 GAGG 外部的 40K 伽马射线。此外，我们为 2v2b 和 0v2b 衰变开发了模型，通过在 GEANT4 中实现两个电子辐射的双介变运动学。结果表明，我们的背景模型通过拟合成功复现了测量得到的背景光谱。通过生成第一阶段预期的伪背景光谱并结合背景与 2v2b 模型进行分析，我们评估了第一阶段的 2v2b 灵敏度为 2.78×10^19 年 (90% 置信区间)。本文提出了这些模拟模型的开发以及基于伪数据的第一阶段和第二阶段的预期灵敏度。
引用
@article{arxiv.2412.04712,
title = {Simulation Tool Development and Sensitivity Analysis of 160Gd Double Beta Decay Search by the PIKACHU Project},
author = {Takumi Omori and Takashi Iida and Nobuo Hinohara and Kotaro Takahashi and Ken-Ichi Fushimi and Azusa Gando and Keishi Hosokawa and Shotaro Ishidate and Motonao Ishigami and Kei Kamada and Keita Mizukoshi and Yasuhiro Shoji and Hisanori Suzuki and Masao Yoshino},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.04712},
year = {2025}
}
备注
18 pages, 12 figures