[论文解读] R&D towards CUPID (CUORE Upgrade with Particle IDentification)

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Neutrino Physics Research被引用 9

一句话总结

本文概述了CUPID的研制工作，CUPID是一项计划中的吨级量级的卡式实验，旨在探测无中微子双贝塔衰变（0νββ），并探测中微子在反质量顺序区域的马约拉纳性质。通过升级CUORE的基础设施，包括提高同位素富集度、采用先进纯化技术、开发新型探测器技术、严格筛选材料以及改进屏蔽措施，CUPID有望在1吨·年的暴露量下实现接近零的本底水平，从而在中微子为马约拉纳粒子的前提下，具备3σ的0νββ衰变发现潜力。

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 increase the source mass and dramatically reduce the backgrounds in the region of interest. This requires isotopic enrichment, upgraded purification and crystallization procedures, new detector technologies, a stricter material selection, and possibly new shielding concepts with respect to the state of the art deployed in CUORE. This document reviews and describes the rich and varied R&D activities, performed inside and outside the CUORE collaboration towards the next generation bolometric $0νββ$ experiment. A separate document discusses the science goals and timescale for CUPID in more detail.

研究动机与目标

• 开发下一代卡式0νββ实验CUPID，具备探测有效马约拉纳中微子质量约为10 meV的反质量顺序区域的能力。
• 在1吨·年的暴露量下，将感兴趣能区的本底水平降低至接近零，从而实现0νββ衰变的3σ发现潜力。
• 利用并升级现有的CUORE基础设施，包括探测器技术、屏蔽措施和材料筛选，以实现高放射纯度和大源质量。
• 推进超低水平污染的筛选技术，特别是针对小样品和薄片材料，使用能量分辨率和灵敏度更优的卡式探测器。
• 通过开发专用的反μ子过滤系统，减轻μ子诱导的本底，将事件率降低10倍或以上。

提出的方法

• 利用升级后的CUORE基础设施，包括富集的82Se和100Mo同位素，将源质量提高至数百公斤至一吨。
• 实施先进的纯化和结晶技术，以减少探测器材料中的体相和表面污染。
• 开发能量阈值低于1 eV的卡式探测器，用于测量小样品和薄片中的表面与体相污染，灵敏度比传统方法提高10至100倍。
• 在ICPMS、NAA和HPGe测量中引入预浓缩技术，通过增加有效样品质量，提升对U和Th污染的检测灵敏度。
• 设计并测试围绕探测器有效体积的μ子标记系统，以过滤μ子诱导的本底，将事件率从约0.5个/(吨·年)降低至0.05个/(吨·年)以下。
• 实施严格的材料筛选标准，并探索新型屏蔽概念，以最小化外部和内部本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 卡式探测器在筛选小样品和薄片的表面污染方面，是否能比传统Si表面势垒二极管实现10至100倍的灵敏度提升？
• RQ2 预浓缩技术在0νββ实验所用材料中，对U和Th污染检测灵敏度的提升程度如何？
• RQ3 在LNGS现场，μ子标记系统是否能将卡式0νββ实验中的μ子诱导本底降低10倍或以上？
• RQ4 通过同位素富集、先进纯化和材料筛选，在吨级卡式实验中可实现多大程度的本底降低？
• RQ5 通过技术升级与严格的放射纯度控制相结合，是否可实现1吨·年暴露量下本底接近零？

主要发现

• 用于表面污染筛选的卡式探测器，由于能量分辨率更优且放射纯度更高，其灵敏度比传统Si表面势垒二极管高出10至100倍。
• 预浓缩技术可有效提升ICPMS、NAA和HPGe测量的灵敏度，通过增加有效样品质量，使U和Th污染的检测限改善一到两个数量级。
• CUORE中μ子诱导本底的估计值约为0.5个/(吨·年)，而专用反μ子过滤系统预计可将其降低10倍或以上，降至0.05个/(吨·年)以下。
• 耶鲁大学开发的μ子标记系统已使LNGS现场的μ子诱导本底实现数据驱动研究，证实该地点适合未来CUPID实验。
• 先进筛选与纯化技术的整合，预计可将本底水平降低至足够低，从而在反质量顺序区域实现0νββ衰变的3σ发现潜力。
• 多个机构间研发活动的汇聚以及强烈的科学兴趣表明，在两年规划期内，可实现一个明确且及时的CUPID实验。