[논문 리뷰] Development of cryogenic low background detector based on enriched zinc molybdate crystal scintillators to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo

D. Chernyak|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 16.

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한 줄 요약

이 논문은 모드당 우주선 실험소에서 저배경 환경에서 중성미자 없는 이중베타붕괴를 탐색하기 위해 ¹⁰⁰Mo로 농축된 초저온 ZnMoO₄闪烁 봄터모미터의 개발 및 특성화를 제시한다. GEANT4를 사용한 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 빛 수확을 최적화하고, 2ν2β 붕괴 스펙트럼을 모델링하며, 무작위 쌍방향 충돌과 내부 오염과 같은 배경 원인을 평가하여, 감도 향상을 위한 효과적인 거부 전략을 입증하였다.

ABSTRACT

ZnMoO$_4$ scintillators with a mass of $\sim$ 0.3 kg, as well as Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals enriched in the isotope $^{100}$Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO$_4$ and two enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. The low background measurements with a three ZnMoO$_4$ and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out. To optimize the light collection in ZnMoO$_4$ scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2$ν$2$β$ decay of $^{100}$Mo was simulated for the enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2$ν$2$β$ decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals with a size of Ø60 $ imes$ 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated. Taking into account poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q$_{2β}$ energy of random coincidences of signals, in particular of 2$ν$2$β$ decay, which is one of the main sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance.

연구 동기 및 목표

• 초순도의 농축 ¹⁰⁰Mo를 함유한 ZnMoO₄ 결정체를 초저온 봄터모미터에 사용하기 위해 개발하는 것.
• 저온 기울기 낮은 코치랄스키 방법으로 성장시킨 ZnMoO₄ 및 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 결정체의 광학적 및 발광 성질을 특성화하는 것.
• GEANT4 기반 몽테카를로 시뮬레이션을 이용한 검출기 모듈의 빛 수확 효율 최적화.
• 초저온 봄터모미터에서 내부 오염, 우주선 활성화, 무작위 쌍방향 충돌에 기인한 배경 기여를 시뮬레이션하고 평가하는 것.
• 무작위 쌍방향 충돌 이벤트를 거부하는 방법을 개발하고 비교하여, 2ν2β 붕괴의 Q값에서 주요 배경 원인으로 작용하는 것을 고려한 것.

제안 방법

• 저온 기울기 낮은 코치랄스키 기법을 사용해 0.3 kg의 ZnMoO₄ 및 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 결정체를 성장시킴.
• 결정 품질과 스크린터레이션 효율을 평가하기 위해 광학적 및 발광 성질 측정.
• GEANT4 패키지를 사용한 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 다양한 검출기 기하구조에 대한 스크린터레이션 광자 수확을 모델링.
• 다양한 형태와 질량의 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 검출기의 2ν2β 붕괴 스펙트럼을 시뮬레이션하여 스펙트럼 의존성 연구.
• EDELWEISS 설정에서 내부 방사능, 우주선 활성화, 장치 오염에 기인한 배경 기여를 모델링.
• Q₂β 에너지에서의 무작위 쌍방향 충돌 이벤트 분석 및 시간 해상도와 성능에 따른 거부 효율 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정 기하학적 형태는 ZnMoO₄ 스크린터레이팅 봄터모미터에서 빛 수확 효율과 신호 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 검출기에서 결정 형태와 질량은 시뮬레이션된 2ν2β 붕괴 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부 오염과 우주선 활성화를 포함한 초저온 ZnMoO₄ 봄터모미터에서 지배적인 배경 기여는 무엇인가?
• RQ4 무작위 쌍방향 충돌 이벤트—특히 2ν2β 붕괴에서 기인한 것—은 Q₂β 에너지에서 배경에 어떤 기여를 하는가? 그리고 어떻게 효과적으로 거부할 수 있는가?
• RQ5 무작위 쌍방향 충돌 거부 효율은 저온 봄터모미터의 시간 해상도와 성능에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 저온 기울기 낮은 코치랄스키 방법을 사용해 최초로 0.3 kg의 ZnMoO₄ 및 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 결정체를 성장시켰으며, 유망한 광학적 및 발광 성질을 확보하였다.
• 몽테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 기하학이 빛 수확 효율에 상당한 영향을 미치며, 최적화된 설계로 신호 탐지가 향상됨을 입증하였다.
• 시뮬레이션 결과, 농축 Zn¹⁰⁰MoO₄ 검출기에서 2ν2β 붕괴 스펙트럼은 결정 형태와 질량에 민감하며, 에너지 해상도와 배경 모델링에 영향을 미침을 확인하였다.
• 내부 방사능과 우주선 활성화가 주요 배경 기여원으로 규명되었으며, 정확한 배경 예산 산정을 위한 오염 수준이 시뮬레이션되었다.
• 무작위 쌍방향 충돌 이벤트, 특히 2ν2β 붕괴에서 기인한 것은 Q₂β 에너지에서 주요 배경 원인으로 확인되었으며, 다양한 거부 방법이 효과성 평가되었다.
• 무작위 쌍방향 충돌의 거부 효율은 검출기의 시간 해상도에 따라 강하게 의존하며, 높은 성능을 보이는 장치일수록 더 효과적인 배경 감소가 가능함을 입증하였다.