[論文レビュー] Development of cryogenic low background detector based on enriched zinc molybdate crystal scintillators to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo

D. Chernyak|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノ無電荷二重ベータ崩壊の探索を目的として、100Moに富化した液体ヘリウム温度下のZnMoO₄閃石シンチレーター・ボロメーターの開発と特性評価について述べている。GEANT4を用いたモンテカルロシミュレーションにより、光収集の最適化、2ν2β崩壊スペクトルのモデル化、およびランダムな一致や内部不純物といったバックグラウンド要因の評価が行われ、モダン地下研究所における低バックグラウンド環境下での感度向上に有効な拒否戦略が示された。

ABSTRACT

ZnMoO$_4$ scintillators with a mass of $\sim$ 0.3 kg, as well as Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals enriched in the isotope $^{100}$Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO$_4$ and two enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. The low background measurements with a three ZnMoO$_4$ and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out. To optimize the light collection in ZnMoO$_4$ scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2$ν$2$β$ decay of $^{100}$Mo was simulated for the enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2$ν$2$β$ decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals with a size of Ø60 $ imes$ 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated. Taking into account poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q$_{2β}$ energy of random coincidences of signals, in particular of 2$ν$2$β$ decay, which is one of the main sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance.

研究の動機と目的

• 液体ヘリウム温度下のボロメーターに使用する高純度で100MoにドープされたZnMoO₄結晶の開発。
• 低熱勾配Czochralski法で成長させたZnMoO₄および100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄結晶の光学的および発光特性の評価。
• GEANT4ベースのモンテカルロシミュレーションを用いた、検出器モジュールにおける光収集効率の最適化。
• 液体ヘリウム温度下のボロメーターにおける内部不純物、宇宙線誘発活性化、ランダム一致からのバックグラウンド寄与のシミュレーションと評価。
• ランダム一致事象の拒否手法の開発と比較。2ν2β崩壊のQ値近辺で顕著なバックグラウンド要因であるため。

提案手法

• 低熱勾配Czochralski法を用いて0.3 kgのZnMoO₄および100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄結晶の成長。
• 結晶品質とシンチレーション効率を評価するための光学的および発光特性の測定。
• GEANT4パッケージを用いたモンテカルロシミュレーションにより、さまざまな検出器幾何形状におけるシンチレーション光子収集をモデル化。
• 異なる形状および質量の100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄検出器における2ν2β崩壊スペクトルのシミュレーションを行い、スペクトル依存性の検討。
• EDELWEISS実験セットアップにおける内部放射能、宇宙線誘発活性化、および装置不純物からのバックグラウンド寄与のモデル化。
• Q₂βエネルギーでのランダム一致事象の解析。時間分解能および検出器性能に応じた拒否効率の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結晶の幾何形状は、ZnMoO₄シンチレーティングボロメーターにおける光収集効率と信号応答にどのように影響するか？
• RQ2 結晶の形状および質量は、100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄検出器におけるシミュレートされた2ν2β崩壊スペクトルにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 液体ヘリウム温度下のZnMoO₄ボロメーターにおける主なバックグラウンド寄与要因は何か。特に内部不純物および宇宙線誘発活性化を含む。
• RQ4 2ν2β崩壊に起因するランダム一致事象は、Q₂βエネルギーでのバックグラウンドにどのように寄与するか。また、効果的な拒否は可能か？
• RQ5 ランダム一致事象の拒否効率は、低温ボロメーターの時間分解能および性能にどのように依存するか？

主な発見

• 低熱勾配Czochralski法を用いて、最初の0.3 kgのZnMoO₄および100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄結晶が成功裏に成長され、望ましい光学的および発光特性を示した。
• モンテカルロシミュレーションにより、検出器の幾何形状が光収集効率に顕著な影響を及ぼすことが示され、最適化された設計により信号検出が向上した。
• シミュレーションから、100Moに富化したZn¹⁰⁰MoO₄検出器における2ν2β崩壊スペクトルは結晶の形状および質量に依存しており、エネルギー分解能およびバックグラウンドモデル化に影響を及ぼすことが明らかになった。
• 内部放射能および宇宙線誘発活性化がバックグラウンドの主な寄与要因であることが特定され、正確なバックグラウンド算出のための不純物レベルのシミュレーションが行われた。
• 2ν2β崩壊に起因するランダム一致事象は、Q₂βエネルギー近辺で顕著なバックグラウンド源であることが判明し、複数の拒否手法の有効性が評価された。
• ランダム一致事象の拒否効率は、検出器の時間分解能に強く依存しており、性能が向上すればより効果的なバックグラウンド抑制が可能であることが示された。