[논문 리뷰] CUPID pre-CDR

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 22.

Medical Imaging and Pathology Studies인용 수 33

한 줄 요약

이 문서는 CUORE 인프라를 기반으로 하고 100Mo으로 풍부화된 Li2MoO4 결정들을 이용한 차세대 볼로메트릭 0νββ 탐사를 위한 CUPID를 개요합니다. 배경 억제와 높은 민감도를 달성합니다.

ABSTRACT

CUPID is a proposed future tonne-scale bolometric neutrinoless double beta decay ($0νββ$) experiment to probe the Majorana nature of neutrinos and discover Lepton Number Violation in the so-called inverted hierarchy region of the neutrino mass. CUPID will be built on experience, expertise and lessons learned in CUORE, and will exploit the current CUORE infrastructure as much as possible. In order to achieve its ambitious science goals, CUPID aims to dramatically reduce the backgrounds in the region of interest introducing a high efficiently $α$/$β$ discrimination techniques, also demonstrated by the CUPID-0 and CUPID-Mo experiments, and using a high transition energy double beta decay nucleus, $^{100}$Mo. This document describe the main concepts related with the design of the CUPID experiment and indicates the projected sensitivities and the global scientific goal of the experiment.

연구 동기 및 목표

• 0νββ 붕괴를 통한 렌손-숫자 위반 탐사 및 그것이 주요한 마요라나 뉴트리노 및 표준모형 beyond-Standard-Model 물리학에 미치는 의미를 동기화합니다.
• CUORE 인프라를 활용하여 배경을 현저히 감소시키고 발견 잠재력을 높이는 CUPID 기본 설계를 제시합니다.
• 높은 에너지 해상도, 강한 알파 배경 제거, 단계적 배치를 가능하게 하는 확장 가능한 다동위원회 볼로메트릭 접근법을 제안합니다.
• 기존 냉각 인프라 내에서 톤 규모의 100Mo-풍부화 CUPID 검출기를 배치하는 타당성을 평가합니다.
• 예상 물리 reach, 배치 일정, CUPID 성공에 필요한 주요 기술 업그레이드를 개요합니다.

제안 방법

• 알파 차별화를 가능하게 하는 100Mo로 풍부화된 Li2MoO4 결정의 섬광 볼로메트로를 도입하여 동시에 열 및 빛 읽기를 구현합니다.
• 각 결정 및 빛 검출기에 열 센서로 Neutron Transmutation Doped (NTD) Ge 열전 thermistors를 사용합니다.
• 저진동 및 저방사환경을 위한 업그레이드를 갖춘 CUORE 크라이오스타트 및 인프라를 활용합니다.
• 배경 지수를 약 1e-4 counts/(keV·kg·yr) 목표로 달성하기 위한 1톤 규모 프로토타입 및 단계적 배치 계획을 설계합니다.
• 기존 CUORE 냉저 시스템 내에서 기계를 타일형 탑으로 구성하여 전체 셋업의 변화 최소화를 도모합니다.
• 다른 동위원소/결정 옵션(예: TeO2) 연구를 위한 옵션을 유지하여 다동위원소 능력을 가능하게 합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 Li2MoO4(100Mo) 구성에서 약 10년의 운용으로 CUPID가 얻을 수 있는 유효 마요라나 질량 mββ에 대한 감도는 어느 수준인가?
• RQ2 100Mo ROI에서 알파 배경을 효과적으로 억제하여 배경 지수를 약 1e-4 counts/(keV·kg·yr)로 달성할 수 있는가?
• RQ3 기존 CUORE 냉저 크라이오스타트 및 인프라 내에서 톤 규모의 CUPID 검출기가 실현 가능한가, 어떤 업그레이드가 필요한가?
• RQ4 다동위원소 볼로메트릭 접근법이 발견 잠재력과 실용성 면에서 차세대 0νββ 프로젝트들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 CUORE 운영에서 전면 CUPID 배치를 향한 프로젝트 타임라인과 이정표는 무엇인가?

주요 결과

• 기본 CUPID 설계는 각 샘의 질량이 약 308 g인 Li2Mo100MoO4 결정으로 구성되며 총 253 kg의 100Mo 및 1534개의 결정으로 이루어집니다.
• 에너지 해상도 예측은 2615 keV에서 FWHM 약 5 keV, 포집 효율 약 79%, 선택 효율 약 90%입니다.
• 100Mo 관심 영역에서의 기대 배경 지수는 약 1e-4 counts/(keV·kg·yr)입니다.
• 10년 가동 시간에서 90% CL로 나타나는 0νββ 반감기 감도는 1.5e27년이며 3σ 발견 감도는 1.1e27년입니다.
• mββ 관점에서 CUPID의 목표는 90% CL 한계가 10–17 meV이고 3σ 발견 감도가 12–20 meV인 것입니다.
• 시연기 CUPID-0 및 CUPID-Mo는 5 keV 해상도, 전 β/γ 수용으로 99.9% α 거부, 232Th/238U에 대한 내부 방사성 순도가 kg당 5 μBq 이하에서 나타납니다.