[論文レビュー] Aboveground test of an advanced Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometer to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo

Tatyana B. Bekker, N. Coron+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 51被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、⁵⁰ cm³の大型Li₂MoO₄閃爍ボロメータを地上で正常に運用することに成功し、¹⁰⁰Moにおける無ニュートリノ双ベータ崩壊（0ν2β）探索に向けた優れたエネルギー分解能とα/βバックグラウンド抑制を達成した。予備的な放射純度の指針も得られ、Li₂MoO₄が次世代低バックグラウンド実験に極めて有望な材料であることが確認された。

ABSTRACT

Large lithium molybdate (Li$_2$MoO$_4$) crystal boules were produced by using the low thermal gradient Czochralski growth technique from deeply purified molybdenum. A small sample from one of the boules was preliminary characterized in terms of X-ray-induced and thermally-excited luminescence. A large cylindrical crystalline element (with a size of $\oslash 40 imes40$ mm) was used to fabricate a scintillating bolometer, which was operated aboveground at $\sim 15$ mK by using a pulse-tube cryostat housing a high-power dilution refrigerator. The excellent detector performance in terms of energy resolution and $α$ background suppression along with preliminary positive indications on the radiopurity of this material show the potentiality of Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometers for low-counting experiment to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo.

研究の動機と目的

• スチルティングボロメータに使用する高純度Li₂MoO₄結晶を、低温度勾配Czochralski法を用いて合成すること。
• 約15 mKの地上冷温環境下で、40×40 mmの大型Li₂MoO₄閃爍ボロメータの性能をテストすること。
• 将来の0ν2β崩壊実験に向け、エネルギー分解能、α/β分離能、および放射純度の評価を行うこと。
• モリブデン含有量が高く（55.2 wt%）、固有の放射能が低いLi₂MoO₄を、源・検出器一体型材料として使用可能かどうかを評価すること。
• 今後の地下運用および、富化¹⁰⁰MoドープLi₂MoO₄ボロメータの開発の基盤を提供すること。

提案手法

• 高純度モリブデン酸化物を原料として、低温度勾配Czochralski法を用いて大型Li₂MoO₄ボウルを成長させた。
• 円柱状結晶（40×40 mm）を加工し、熱と光を併用して検出する閃爍ボロメータを構築した。
• パルスチューブ冷温器を備えた高出力ディルートion冷凍機を用いて、約15 mKの温度でデバイスを動作させた。
• X線誘起および熱励起発光を測定し、結晶の閃爍特性を評価した。
• 熱-光散乱プロット法を用いて、エネルギー分解能およびα/βバックグラウンド抑制を評価した。
• 中性子誘起バックグラウンドの評価のため、⁶Li(n,t)α反応に起因する中性子捕獲を観測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Czochralski法を用いて、モリブデン含有量の高い高品質なLi₂MoO₄結晶をボロメトリック検出器に使用可能であるか？
• RQ2 大型Li₂MoO₄閃爍ボロメータは、0ν2β崩壊探索に十分なエネルギー分解能とα/β拒否性能を達成できるか？
• RQ3 特に⁴⁰K、²³²Th、²³⁸Uの不純物に関して、Li₂MoO₄材料の固有の放射純度レベルはどの程度か？
• RQ4 欠陥制御により、閃爍光出力および発光効率を向上させられるか？
• RQ5 地上環境下でのデバイスの性能はいかがで、地下運用におけるバックグラウンド抑制の可能性はどの程度か？

主な発見

• Li₂MoO₄結晶は、室温から8 Kに冷却することで、発光ピークが約600 nmにあり、発光強度が5倍に増加した。
• 閃爍ボロメータは優れたエネルギー分解能と強力なα/β分離能を達成し、低バックグラウンド実験に適していることが確認された。
• ⁶Li(n,t)αの中性子捕獲ピークが明確に観測され、中性子誘起バックグラウンドが検出可能であることが示された。
• 地上で動作させたにもかかわらず、エネルギー分解能およびバックグラウンド抑制性能が、過去のLi₂MoO₄デバイスと同等以上であった。
• 予備的な結果では、放射純度が低く、⁴⁰Kの活動度が170(80) mBq/kg、²³²Thおよび²³⁸Uはそれぞれ0.11および0.09 mBq/kg未満であった。
• 50 cm³のデバイス体積は、これまでに運用されたLi₂MoO₄ボロメータの少なくとも5倍以上であり、大規模な0ν2β崩壊実験における1モジュールに必要なサイズに近づいた。