[논문 리뷰] R&D towards CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification)

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 14.

Neutrino Physics Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 역행성 질서 영역에서 중성미자의 마요라나 성질을 탐구하고 중성미자 없는 이중베타 붕괴(0νββ)를 탐색하기 위해 제안된 톤 규모의 볼로메트릭 실험인 CUPID의 연구 및 개발(R&D) 노력에 대해 서술한다. CUORE의 인프라를 향상시켜 고도화된 동위원소 농축, 첨단 정제 기술, 새로운 검출 기술, 엄격한 재료 선별 및 향상된 셸딩을 통해 CUPID는 1톤·년 노출에서 배경 수준을 거의 0에 가깝게 유지함으로써, 중성미자가 마요라나 입자일 경우 0νββ 붕괴에 대한 3σ 발견 가능성을 확보하고자 한다.

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 increase the source mass and dramatically reduce the backgrounds in the region of interest. This requires isotopic enrichment, upgraded purification and crystallization procedures, new detector technologies, a stricter material selection, and possibly new shielding concepts with respect to the state of the art deployed in CUORE. This document reviews and describes the rich and varied R&D activities, performed inside and outside the CUORE collaboration towards the next generation bolometric $0νββ$ experiment. A separate document discusses the science goals and timescale for CUPID in more detail.

연구 동기 및 목표

• 효율적인 마요라나 중성미자 질량에 대해 약 10 meV의 감도를 갖는 다음 세대 볼로메트릭 0νββ 실험인 CUPID를 개발하여 역행성 중성미자 질량 질서를 탐색한다.
• 1톤·년 노출에서 관심 영역의 배경을 거의 0 수준으로 줄여 0νββ 붕괴에 대한 3σ 발견 가능성을 확보한다.
• 검출 기술, 셸딩 및 재료 선별을 포함한 기존 CUORE 인프라를 활용하고 개선하여 고순도 및 대량의 원료 질량을 확보한다.
• 우수한 에너지 해상도와 감도를 갖춘 볼로메트릭 검출기를 사용하여, 특히 소형 샘플과 필름의 초저농도 오염을 선별하는 기술을 발전시킨다.
• 특수한 반-뮤온 비트 시스템을 개발하여 뮤온 유도 배경을 줄여, 사건률을 10배 이상 감소시킨다.

제안 방법

• 농축된 82Se 및 100Mo 동위원소를 포함한 업그레이드된 CUORE 인프라를 활용하여 원료 질량을 수백 kg에서 1톤 수준으로 증가시킨다.
• 검출기 재료의 부피 및 표면 오염을 줄이기 위해 첨단 정제 및 결정화 기술을 구현한다.
• 소형 샘플과 필름의 표면 및 부피 오염을 측정하기 위해 1eV 이하의 에너지 임계값을 갖는 볼로메트릭 검출기를 개발하여 기존 방법보다 10~100배 높은 감도를 확보한다.
• ICPMS, NAA 및 HPGe 측정에서 사전 농축 기술을 통합하여 효과적인 샘플 질량을 증가시켜 우라늄 및 토륨 오염 감도를 향상시킨다.
• 활성 부피 주변에 뮤온 태거 시스템을 설계하고 테스트하여 뮤온 유도 배경을 제거하고, 사건률을 약 0.5 개/(톤·년)에서 0.05 개/(톤·년) 이하로 감소시킨다.
• 엄격한 재료 선별 기준을 적용하고 외부 및 내부 배경을 최소화하기 위한 새로운 셸딩 개념을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 볼로메트릭 검출기는 전통적인 실리콘 표면 장벽 다이오드보다 표면 오염 선별에서 10~100배 높은 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 사전 농축 기술은 0νββ 실험에 사용되는 재료에서 우라늄 및 토륨 오염 감도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 LNGS 현장에서 볼로메트릭 0νββ 실험에서 뮤온 태거 시스템이 뮤온 유도 배경을 10배 이상 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 톤 규모의 볼로메트릭 실험에서 동위원소 농축, 첨단 정제 및 재료 선별을 통해 어떤 수준의 배경 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ5 기술적 업그레이드와 엄격한 방사능 순도 제어를 조합하여 1톤·년 노출에서 배경 수준을 거의 0으로 유지하는 것은 가능한가?

주요 결과

• 표면 오염 선별을 위한 볼로메트릭 검출기는 뛰어난 에너지 해상도와 방사능 순도 덕분에 기존의 실리콘 표면 장벽 다이오드보다 10~100배 높은 감도를 확보할 수 있다.
• 사전 농축 기술은 ICPMS, NAA 및 HPGe 측정의 감도를 효과적으로 향상시켜, 우라늄 및 토륨 오염의 검출 한계를 1~2개 온도까지 향상시킬 수 있다.
• CUORE에서 뮤온 유도 배경 사건률은 약 ~0.5 개/(톤·년)로 추정되며, 전용 반-뮤온 비트 시스템을 통해 이는 10배 이상 감소하여 0.05 개/(톤·년) 이하로 떨어질 것으로 기대된다.
• 예일 대학에서 개발한 뮤온 태거 시스템을 통해 LNGS 현장에서 뮤온 유도 배경에 대한 데이터 기반 연구가 가능해졌으며, 이는 현장이 향후 CUPID 실험에 적합하다는 것을 확인시켰다.
• 첨단 선별 및 정제 기술의 통합은 배경 수준을 충분히 낮춰 역행성 질서 영역에서 0νββ 붕괴에 대한 3σ 발견 가능성을 확보할 것으로 기대된다.
• 다양한 기관에서 진행 중인 R&D 활동의 융합과 높은 과학적 관심은 2년 계획 창간 창에서 명확하고 실현 가능한 CUPID 실험으로의 길을 제시한다.