[論文レビュー] CUPID pre-CDR

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2019

Medical Imaging and Pathology Studies被引用数 33

ひとこと要約

この文書は、CUOREインフラストラクチャを基盤とし、100Moで濃化した Li2MoO4 クリスタルを用いた CUPID を紹介します。背景抑制と高感度を達成するためのニュートリノ質量非対称二重β崩壊（0νββ）探索の次世代ボロメトリック実装です。

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.

研究の動機と目的

• Lepton-number violation の探索を 0νββ 崩壊を介して動機づけ、マヨラナニュートリノおよび標準モデル超えの物理へ与える影響を示す。
• CUORE インフラを活用して、背景を大幅に削減し、発見ポテンシャルを高めるベースライン設計を提示する。
• 高エネルギー分解能、強いアルファ背景排除、および段階的展開を可能にする、スケーラブルな多同位体ボロメトリックアプローチを提案する。
• 現行の低温インフラ内で、吨規模の 100Mo 濃化 CUPID センサーの展開が実現可能かを評価する。
• CUPID の成功に必要な物理的到達範囲、展開タイムライン、および主要な技術改良を概説する。

提案手法

• 100Mo に濃化した Li2MoO4 クリスタルで放射能を含むアルファ識別のために熱と光の同時読み出しを可能にするシンチレーティングボロメトリーを採用する。
• 各クリスタルと光検出器に結合された熱センサとして中性子変換ドープ（NTD）Ge熱検出器を使用する。
• 低振動・低放射性環境のアップグレードを伴うCUOREクライオスタットとインフラを使用する。
• 背景指数を約 1e-4 counts/(keV·kg·yr) 程度に達するための1トン規模のプロトタイプと段階的展開計画を設計する。
• 検出器を既存のCUOREクライオジェニックシステム内のタイル状タワーとして構築し、全体のセットアップへの変更を最小化する。
• 多様な同位体/結晶オプション（例：TeO2）を検討するオプションを維持して、多同位体能力を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Baseline Li2MoO4(100Mo) 構成で約10年間の運用により、有効マヨラナ質量 mββ に対してどの程度の感度を達成できるか。
• RQ2 アルファ背景を効果的に抑制して、100Mo ROI で背景指数を約 1e-4 counts/(keV·kg·yr) に到達できるか。
• RQ3 现有 CUORE クライオスタットとインフラ内で吨規模の CUPID センサーが実現可能か、どのアップグレードが必要か。
• RQ4 多同位体ボロメトリックアプローチは、発見ポテンシャルと実用性の面で、他の次世代 0νββ プロジェクトとどのように比較されるか。
• RQ5 CUORE の運用から完全な CUPID 展開へ移行するための予測タイムラインとマイルストーンは何か。

主な発見

• ベースライン CUPID 設計は Li2Mo100MoO4 クリスタルを各約 308 g の質量で使用し、総計で約 253 kg の 100Mo と 1534 クリスタル。
• 予測されるエネルギー分解能は 2615 keV で約 5 keV FWHM、封入効率約 79%、選択効率約 90%。
• 100Mo 領域の背景指数は約 1e-4 counts/(keV·kg·yr) の見込み。
• 90% CL での 0νββ 半減期感度は 1.5e27 年、10 年のライブタイムでの発見感度は 3σ で 1.1e27 年。
• mββ の観点で、CUPID は 90% CL のリミットを 10–17 meV、3σ 発見感度を 12–20 meV を目指す。
• CUPID-0 および CUPID-Mo のデモンストレーターは、5 keV 分解能、β/γ の受容を含む 99.9% α 排除、および 232Th/238U に対して内部放射性純度が 5 μBq/kg 以下である。