高能物理 - 实验
[提交于 2024年12月6日
(v1)
,最后修订 2025年4月23日 (此版本, v2)]
标题: PIKACHU项目160Gd双β衰变搜索的仿真工具开发与敏感性分析
标题: Simulation Tool Development and Sensitivity Analysis of 160Gd Double Beta Decay Search by the PIKACHU Project
摘要: 中微子无中微子双β衰变(0v2b)已被研究作为一种可以提供中微子马约拉纳性质证据的物理过程。 0v2b速率的理论预测受到显著的不确定性影响,主要是由于核矩阵元(NME)。 为了减少这种不确定性,对各种核素的两中微子双β衰变(2v2b)的半衰期进行实验测量是必要的,作为NME计算的基准。 PIKACHU(纯无机闪烁体实验在 Kamioka 用于挑战地下科学)项目旨在寻找此前未被观测到的160Gd的2v2b衰变,采用掺铈的Gd3Ga3Al2O12(GAGG)单晶。 在第一阶段实验中,我们希望通过使用掺铈的Gd2SiO5(GSO)晶体的前期研究,提高当前对160Gd 2v2b半衰期的下限。 最终,在第二阶段,该项目旨在实现超越理论预测的7.4 x 10^20年的灵敏度,从而有可能发现160Gd的2v2b衰变。 在本文中,我们描述了基于GEANT4模拟的背景模型的发展。 所建模的背景包括铀和钍衰变链的贡献、GAGG中存在的40K以及来自GAGG外部的40K伽马射线。 此外,我们通过在GEANT4模拟中实现双β衰变中两个电子发射的理论运动学,开发了2v2b和0v2b衰变的模型。 结果表明,我们的背景模型通过拟合成功地再现了测量的背景谱。 通过生成第一阶段预期的伪背景谱,并用结合的背景和2v2b模型对其进行分析,我们评估了第一阶段的2v2b灵敏度为2.78 x 10^19年(90%置信水平)。 本文介绍了这些模拟模型的发展以及基于伪数据分析的第一阶段和第二阶段的预期灵敏度。
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