[论文解读] Multi-layer scintillation detector for the MOON double beta decay experiment: Scintillation photon responses studied by a prototype detector MOON-1

Hiroaki Nakamura, P. J. Doe+51 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2006

Neutrino Physics Research被引用 13

一句话总结

本文介绍了MOON-1原型探测器，一种用于高灵敏度无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验的多层塑料闪烁体系统。其在100Mo的Q值（3.034 MeV）处实现了2.9±0.1%的能量分辨率（FWHM为6.8±0.3%），证明了实现对反序质量阶梯中微子质量尺度30 meV灵敏度的可行性。

ABSTRACT

An ensemble of multi-layer scintillators is discussed as an option of the high-sensitivity detector Mo Observatory Of Neutrinos (MOON) for spectroscopic measurements of neutrino-less double beta decays. A prototype detector MOON-1, which consists of 6 layer plastic-scintillator plates, was built to study the sensitivity of the MOON-type detector. The scintillation photon collection and the energy resolution, which are key elements for the high-sensitivity experiments, are found to be 1835+/-30 photo-electrons for 976 keV electrons and sigma = 2.9+/-0.1% (dE/E = 6.8+/-0.3 % in FWHM) at the Qbb ~ 3 MeV region, respectively. The multi-layer plastic-scintillator structure with good energy resolution as well as good background suppression of beta-gamma rays is crucial for the MOON-type detector to achieve the inverted hierarchy neutrino mass sensitivity.

研究动机与目标

• 证明多层塑料闪烁体探测器在高灵敏度无中微子双贝塔衰变（0νββ）实验中的可行性。
• 测量具有6个塑料闪烁体层的原型探测器（MOON-1）中闪烁光子收集效率和能量分辨率。
• 验证检测100Mo Q值为3.034 MeV的0νββ衰变所必需的能量分辨率和校准性能。
• 通过康普顿散射电子和γ射线的符合技术，评估背景抑制能力。

提出的方法

• 构建了包含53×53×1 cm³板和覆盖82%侧面的56个PM T的6层塑料闪烁体原型（MOON-1）。
• 使用⁹⁷Ru和²⁰⁸Tl放射性源测量对976-keV电子和2.615-MeV γ射线的响应。
• 采用一种新方法，通过在塑料闪烁体（PL3）和NaI(Tl)探测器（ID4）中叠加能量沉积来重建2.615-MeV γ射线峰。
• 通过重建γ射线事件的光峰拟合测量能量分辨率，分辨率表示为σ/E = V。
• 利用976-keV电子线和2.615-MeV γ射线峰校准能量响应。
• 应用统计分析以确定光电子产额和由光子统计与探测器固有效应引起的分辨率贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 多层塑料闪烁体系统是否能在3.034 MeV Q值处实现0νββ衰变检测所需的能量分辨率（约3%）？
• RQ2 在侧面安装PM T的大面积多层塑料闪烁体系统中，实际的闪烁光子收集效率是多少？
• RQ3 通过塑料闪烁体中康普顿散射电子与NaI(Tl)探测器中γ射线的符合检测，能否有效重建2.615-MeV γ射线峰以实现能量校准？
• RQ4 能量分辨率如何随塑料闪烁体中沉积能量的变化而变化？是否可外推至3.034 MeV区域？
• RQ5 通过能量和符合筛选，探测器在多大程度上能抑制本底事件？

主要发现

• MOON-1原型探测器对976-keV电子收集了1835±30个光电子，与基于闪烁体产额、PM T覆盖范围和量子效率的预期一致。
• 在100Mo的Q值3.034 MeV处测得的能量分辨率为V = 2.9±0.1%（FWHM为6.8±0.3%），满足对反序质量阶梯中微子质量实现30 meV灵敏度的要求。
• 在1 MeV能量处的分辨率为V = 5.0±0.2%（FWHM为11.9±0.5%），主要受光电子产额统计涨落限制。
• 分辨率性能与统计和探测器固有贡献的组合一致，表明通过材料和生产工艺优化仍有改进空间。
• 探测器系统成功通过PL3与NaI(Tl)探测器的符合检测重建了2.615-MeV γ射线峰，实现了精确的能量校准。
• MOON-1设计可扩展至完整MOON探测器尺寸（100×100 cm²），因为闪烁体中光子衰减仍低于3%。