[논문 리뷰] Liquid Argon Ionization Detector for Double Beta Decay Studies

V. D. Ashitkov, A. S. Barabash외 8명|arXiv (Cornell University)|2003. 09. 02.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 그란 사소 지하 실험소에서 100Mo의 이중베타붕괴를 연구하기 위해 DBA 협동 연구진이 개발한 다중구역 액체 희토성 가스 이온화 검출기를 제시한다. 이 검출기는 100Mo의 두 중성미자 이중베타붕괴를 반감기 (7.2 ± 0.9(stat) ± 1.8(syst)) × 10^18 yr로 처음 관측하였으며, 무중성미자 붕괴 모드에 대해 새로운 한계를 설정하여, 액체 헬륨에서 222Rn 활성도(1.2 × 10^{-3} Bq/kg)와 42Ar 농도(4.3 × 10^{-21} g/g)에 대해 세계 최고 수준의 상한선을 확립하였다. 90% 신뢰수준에서.

ABSTRACT

A multisection liquid argon ionization detector was developed by the DBA collaboration to study the double beta- decay of $^{100}$Mo. The experiment was carried out in the Gran Sasso underground laboratory in Italy. The detector design and main characteristics are described. The $ββ(2ν)$ decay of $^{100}$Mo was observed and its half-life measured: $T_{1/2}=[7.2 \pm 0.9(stat) \pm 1.8(syst)] imes 10^{18}$ yr. Limits on the 0$ν$ and 0$νχ^{0}$ modes of the decay were obtained: $T_{1/2}> 8.4(4.9) imes 10^{21}$ yr and $T_{1/2}> 4.1(3.2) imes 10^{20}$ yr at 68% (90%) C.L., respectively. In addition the upper limits on the $^{42}$Ar content and $^{222}$Rn activity in liquid Ar were found to be $4.3 imes 10^{-21}$ g/g and $1.2 imes 10^{-3}$ Bq/kg, respectively.

연구 동기 및 목표

• 액체 헬륨 이온화 검출기를 사용하여 100Mo에서 무중성미자 이중베타붕괴(0νββ)를 탐색하기 위해.
• 핵 매트릭스 요인 계산의 기준으로 삼을 수 있도록 100Mo의 두 중성미자 이중베타붕괴(2νββ) 반감기를 측정하기 위해.
• 향후 대규모 액체 헬륨 검출기의 주요 배경 원인인 42Ar 및 222Rn을 포함한 액체 헬륨 내 방사성 불순물에 대해 엄격한 한계를 설정하기 위해.
• 심지어 지하 환경에서 희귀 붕괴 탐색에 적합한 고순도 액체 헬륨 이온화 검출기의 실현 가능성과 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 티타늄 및 플루오로플라스틱 재질의 다중구역 액체 헬륨 이온화 검출기를 제작하였으며, 감도 영역을 정의하기 위해 14개의 음극, 15개의 양극, 28개의 스크리닝 그리드를 사용하였다.
• 진공 절연 시스템을 통해 액체 질소로 냉각하여 액체 헬륨 온도를 안정적으로 유지하고, 기화 손실을 6 L/h로 줄였다.
• 고전압 전극(음극에 −4.8 kV, 그릭에 −2 kV)과 전하 민감성 프리앰프를 사용하여 전자 궤적에서 정밀한 이온화 전하 수집을 실현하였다.
• 패assing된 lead shielding, 라돈 보호, 그리고 0νββ 및 0νχ⁰ 탐색을 위한 1 전자당 1 MeV의 에너지 임계값 설정을 통해 배경 억제를 달성하였다.
• 100 ns 샘플링을 사용하는 16비트 ADC 시스템을 활용한 데이터 수집을 통해 전하 펄스를 기록하였으며, 에너지 및 형상 분별을 통해 이벤트 식별을 가능하게 하였다.
• 2νββ(2.2%), 0νββ(6.9%), 0νχ⁰(5.7%) 붕괴 모드에 대한 감지 효율을 계산하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였으며, 액체 헬륨 내 또는 음극 상의 원료 분포에 대한 가정을 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100Mo의 두 중성미자 이중베타붕괴 반감기는 액체 헬륨에서 얼마인가?
• RQ2 100Mo의 무중성미자 이중베타붕괴(0νββ) 반감기에 대한 하한은 얼마인가?
• RQ3 단일 전자 배경 스펙트럼에서 유도된 42Ar 농도와 222Rn 활성도에 대한 상한은 각각 얼마인가?
• RQ4 패assing shielding와 에너지 임계값 설정의 조합이 0νββ 및 0νχ⁰ 붕괴 탐색에서 배경 억제에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 몰리브덴 필름 내 방사성 오염물질이 반감기 측정의 체계적 오차에 기여하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 100Mo의 두 중성미자 이중베타붕괴가 반감기 (7.2 ± 0.9(stat) ± 1.8(syst)) × 10^18 yr로 관측되었다.
• 100Mo의 0νββ 붕괴 모드에 대한 반감기 하한은 68% 신뢰수준에서 T₁/₂ > 8.4 × 10^21 yr, 90% 신뢰수준에서 > 4.9 × 10^21 yr로 설정되었다.
• 100Mo의 0νχ⁰ 붕괴 모드에 대한 반감기 하한은 68% 신뢰수준에서 T₁/₂ > 4.1 × 10^20 yr, 90% 신뢰수준에서 > 3.2 × 10^20 yr로 설정되었다.
• 액체 헬륨 내 222Rn 활성도에 대한 상한은 90% 신뢰수준에서 1.2 × 10^{-3} Bq/kg로 결정되었으며, 이는 세계 최고 수준의 실험적 한계이다.
• 액체 헬륨 내 42Ar 농도에 대한 상한은 90% 신뢰수준에서 4.3 × 10^{-21} g/g로 확인되었으며, 이 역시 세계 최고의 한계이다.
• 검출기는 1.9 × 10^{-9} equiv.O₂의 액체 헬륨 순도를 달성하여, 희귀 과정 탐색을 위한 고순도 작동의 실현 가능성을 확인하였다.