[논문 리뷰] 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. Coron외 15명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 25.

Neutrino Physics Research참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 ¹⁰⁰Mo에서 중성미자 없는 이중베타붕괴(0ν2β) 탐색을 위한 대규모 리튬모리브데이트(Li₂MoO₄)闪烁 냉각검출기(50 cm³)를 지상에서 성공적으로 운영한 바를 보여준다. 검출기는 뛰어난 에너지 해상도와 알파/베타 배경 감소를 달성하였으며, 초도 방사능 순도 지표를 통해 Li₂MoO₄가 차세대 저배경 실험에 매우 유망한 재료임을 확인하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저온구배 Czochralski 성장법을 이용해 고순도 Li₂MoO₄ 결정을 제작하여 냉각검출기용으로 활용하기 위해 개발한다.
• 약 15 mK에서 지상의 냉각설비를 이용해 대규모 Li₂MoO₄ 냉각검출기(40×40 mm)의 성능을 시험한다.
• 미래의 0ν2β 붕괴 실험을 위해 에너지 해상도, 알파/베타 분리 능력 및 방사능 순도를 평가한다.
• 고몰리브데늄 농도(55.2 wt%)와 낮은 내재 방사능을 갖는 Li₂MoO₄를 소스-검출기 재료로 사용할 수 있는지 타당성을 평가한다.
• 향후 지하 운영과 고순도 ¹⁰⁰Mo 도핑 Li₂MoO₄ 냉각검출기 개발을 위한 기초를 마련한다.

제안 방법

• 깊이 정제된 몰리브데넘 산화물에서 저온구배 Czochralski 기법을 이용해 대규모 Li₂MoO₄ 봉을 성장시켰다.
• 실린더형 결정(40×40 mm)을 제작하고 열 및 빛 감지를 병행하는 냉각검출기를 조립하였다.
• 펄스튜브 냉각기와 고출력 혼합냉각기로 약 15 mK에서 검출기를 작동시켰다.
• X선 유도 및 열적 자극 발광을 측정하여 결정의 발광 특성을 특성화하였다.
• 열-빛 산점도법을 이용해 에너지 해상도와 알파/베타 배경 감소 능력을 평가하였다.
• 중성자 유도 배경을 평가하기 위해 ⁶Li(n,t)α 반응의 중성자 포착 피크를 관측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고순도 몰리브데늄 농도를 갖는 고품질 Li₂MoO₄ 결정을 Czochralski 기법으로 성장시켜 냉각검출기용으로 사용할 수 있는가?
• RQ2 대규모 Li₂MoO₄ 발광 냉각검출기가 0ν2β 붕괴 탐색에 충분한 에너지 해상도와 알파/베타 거부 능력을 확보할 수 있는가?
• RQ3 Li₂MoO₄ 재료의 내재 방사능 순도 수준은 어떻게 되는가? 특히 ⁴⁰K, ²³²Th, ²³⁸U 오염 여부를 평가한다.
• RQ4 결함 제어를 통해 발광 빛 수율과 발광 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 검출기는 지상 환경에서 어떻게 작동하는가? 지하 운영 시 배경 감소 잠재력은 어떠한가?

주요 결과

• Li₂MoO₄ 결정은 약 600 nm에서 최대 발광 피크를 보이며, 실온에서 8 K로 냉각할 경우 발광 강도가 약 5배 증가하였다.
• 발광 냉각검출기는 뛰어난 에너지 해상도와 강력한 알파/베타 분리 능력을 확보하여 저배경 실험에 적합함을 확인하였다.
• 명확한 ⁶Li(n,t)α 중성자 포착 피크가 관측되어 중성자 유도 배경이 감지 가능함을 나타냈다.
• 지상에서 작동했음에도 불구하고, 에너지 해상도 및 배경 감소 능력에서 이전의 Li₂MoO₄ 장치와 비교해 유사하거나 뛰어난 성능을 보였다.
• 초도 결과에 따르면 방사능 순도 오염이 낮아 보이며, ⁴⁰K 활동은 170(80) mBq/kg 수준, ²³²Th 및 ²³⁸U는 각각 0.11 및 0.09 mBq/kg 이하로 추정되었다.
• 50 cm³의 검출기 부피는 이전에 운영된 Li₂MoO₄ 냉각검출기보다 최소 5배 이상 크며, 대규모 0ν2β 붕괴 실험에서 단일 모듈에 필요한 크기에 근접해 있다.