[论文解读] nEXO Pre-Conceptual Design Report

NEXO Collaboration, Kharusi, S. Al+172 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用 79

一句话总结

这份前概念设计报告概述了一个吨级的基于氙的零两重态β衰变搜索，使用约5000 kg的 Xe-136 富集到 90%，目标是在大约 10^28 年的灵敏度范围内，采用单块、超洁净的液态氙探测器，借鉴 EXO-200 的经验。

ABSTRACT

The projected performance and detector configuration of nEXO are described in this pre-Conceptual Design Report (pCDR). nEXO is a tonne-scale neutrinoless double beta ($0νββ$) decay search in $^{136}$Xe, based on the ultra-low background liquid xenon technology validated by EXO-200. With $\simeq$ 5000 kg of xenon enriched to 90% in the isotope 136, nEXO has a projected half-life sensitivity of approximately $10^{28}$ years. This represents an improvement in sensitivity of about two orders of magnitude with respect to current results. Based on the experience gained from EXO-200 and the effectiveness of xenon purification techniques, we expect the background to be dominated by external sources of radiation. The sensitivity increase is, therefore, entirely derived from the increase of active mass in a monolithic and homogeneous detector, along with some technical advances perfected in the course of a dedicated R&D program. Hence the risk which is inherent to the construction of a large, ultra-low background detector is reduced, as the intrinsic radioactive contamination requirements are generally not beyond those demonstrated with the present generation $0νββ$ decay experiments. Indeed, most of the required materials have been already assayed or reasonable estimates of their properties are at hand. The details described herein represent the base design of the detector configuration as of early 2018. Where potential design improvements are possible, alternatives are discussed. This design for nEXO presents a compelling path towards a next generation search for $0νββ$, with a substantial possibility to discover physics beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 通过扩大到吨级 LXe 探测器来激发下一代 0νββ 探寻。
• 在2018年初，给出一个基础探测器设计和性能预期。
• 利用 EXO-200 的经验和氙净化来最小化背景。
• 评估用于大型超低背景探测器的材料、可行性与风险。
• 在 pCDR 基础设计内讨论潜在的设计改进和替代方案。

提出的方法

• 采用经 EXO-200 验证的超低背景液态氙技术。
• 使用单块同质探测器几何结构以最大化有效质量。
• 将活性氙质量扩展到约 5000 kg，Xe-136 富集到 90%。
• 应用氙净化技术以抑制内部背景。
• 评估外部背景贡献，并依赖于材料分析与前期实验的研发结果。
• 给出一个基础设计，并在2018年就可能的改进和替代方案进行讨论。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用约 5000 kg 富集氙进行吨级 Xe-136 0νββ 搜索时，预计的半衰期灵敏度是多少？
• RQ2 在单块液态氙探测器中增加活性质量对以背景为主导的灵敏度相比当前实验有何影响？
• RQ3 最主要的背景来源是什么，是否可以减小外部来源以实现所述灵敏度？
• RQ4 要在吨级实现可靠的 0νββ 搜索，需要哪些材料、检测和设计选择？
• RQ5 在基础设计约束内，哪些替代设计改进或选项能够进一步提升性能？

主要发现

• 预计半衰期灵敏度约为 10^28 年。
• 探测器使用约 5000 kg 的氙，Xe-136 富集到 90%。
• 背景预计将由外部辐射源主导。
• 灵敏度提升主要来自增加活性质量和单块、同质探测器，并辅以研发与纯化技术。
• 大多数所需材料已经过分析或具有合理的性能估计，降低了建造风险。
• 该设计代表一个基础配置，并就2018年初的潜在改进和替代方案进行了讨论。