[论文解读] GENIUS - a Supersensitive Germanium Detector System for Rare Events

H. V. Klapdor‐Kleingrothaus, L. Baudis+3 more|ArXiv.org|Oct 1, 1999

Radiation Detection and Scintillator Technologies参考文献 11被引用 28

一句话总结

GENIUS 提出了一种使用超纯液氮的超灵敏高纯锗探测器系统，以实现前所未有的本底抑制，从而实现对暗物质（如中性子）和罕见过程（如无中微子双贝塔衰变）的直接探测。其目标本底水平为 10⁻³ 事件/千克·年·千电子伏，利用一吨富集的锗，可探测到低至 0.01 电子伏的马约拉纳中微子质量，并实现对 pp 太阳中微子的实时观测。

ABSTRACT

To increase by a major step the present sensitivity for dark matter and double beta decay search, a new project is suggested, which would operate 'naked' GErmanium detectors in liquid NItrogen as shielding in an Underground Setup (GENIUS). In a first step using 100 kg of natural Ge a large part of the MSSM parameter space for prediction of neutralinos as cold dark matter will be covered making the experiment complementary to LHC in the search for supersymmetry. In the second step use of one ton of enriched 76Ge would yield a sensitivity for double beta decay for the effective Majorana neutrino mass of \0.01 eV. This would be a breakthrough for neutrino physics. GENIUS would also be a breakthrough into the multi-TeV range for many other beyond standard models currently discussed, and the sensitivity would be comparable or even superior to LHC or NLC for various quantities such as right-handed W boson mass, R-parity violation, leptoquark or compositeness searches, or left-handed heavy neutrinos.

研究动机与目标

• 解决宇宙学与粒子物理学中非重子暗物质和中微子质量的根本问题。
• 在低能区域实现本底水平低于 10⁻³ 事件/千克·年·千电子伏，以实现对罕见过程的探测。
• 利用一吨富集的 ⁷⁶Ge 探测有效马约拉纳中微子质量低至 0.01 电子伏。
• 通过 100 千克高纯锗探测器实现实时探测 pp 太阳中微子。
• 探索标准模型之外的物理，包括 R-奇偶性破坏、复合结构以及中微子领域中狭义相对论的检验。

提出的方法

• 探测器采用裸露的、超纯的高纯锗晶体，浸没于超纯液氮中，以最大限度降低本底。
• 系统置于同心不锈钢罐设计中，内罐用于液氮，外罐采用掺硼绝缘材料，以屏蔽中子。
• 采用聚四氟乙烯（Teflon）基支架系统，可支撑最多六层共 40 个高纯锗晶体，最大限度减少放射性污染。
• 通过材料选择、屏蔽和利用地下生产减少宇宙射线活化，对本底源进行模拟与抑制。
• 设计包含气密焊接、压力安全系统以及氮气冲洗，以防止湿气侵入。
• 在罐顶安装洁净室，配备数据获取系统和μ子 veto 系统，以确保运行环境的纯净。

实验结果

研究问题

• RQ1 高纯锗探测器系统能否实现足够低的本底水平，以在 MSSM 参数空间中探测中性子等暗物质候选者？
• RQ2 在无中微子双贝塔衰变实验中，利用 ⁷⁶Ge 能探测到的最小有效马约拉纳中微子质量是多少？
• RQ3 GENIUS 探测器能否实现实时观测 pp 太阳中微子，这是太阳中微子物理学的关键目标？
• RQ4 液氮屏蔽、掺硼绝缘与材料纯化相结合，在抑制本底事件方面有多高效？
• RQ5 GENIUS 在多大程度上能够探测标准模型之外的新物理，如右手中微子 W 玻色子或 R-奇偶性破坏？

主要发现

• GENIUS 探测器在 11–100 keV 能区实现本底水平为 6.1 × 10⁻² 事件/千克·年·千电子伏，相比以往实验降低了两个多数量级。
• 经过两年运行后，本底预计将进一步降低至 1 × 10⁻² 事件/千克·年·千电子伏，主要由于 ⁶⁸Ge 的衰变。
• 该系统设计目标为实现 10⁻³ 事件/千克·年·千电子伏的本底水平，利用一吨富集的 ⁷⁶Ge 可实现对有效马约拉纳中微子质量低至 0.01 电子伏的探测灵敏度。
• 基铺小组独立验证了模拟结果，证实了本底模型与设计假设的可靠性。
• 该设计仅需 100 千克天然高纯锗即可实现实时探测 pp 太阳中微子。
• 该设施在技术上是可行的，探测器的生产与安装时间表在可获得格兰萨索或 WIPP 地下实验室的前提下已得到确认。