[논문 리뷰] Toward CUPID-1T

A. Armatol, C. Augier외 173명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 16.

Neutrino Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

CUPID-1T는 중성미자 없는 이중베타붕괴(0νββ)를 탐색하기 위해 다음 세대 1톤 규모의 저온 빛열검출기 실험을 제안한다. 이 실험은 반감기를 10²⁷–10²⁸년으로 감지하고, 효과적인 메조나 중성미오 질량을 15 meV 이하로 감지할 수 있다. 고도화된 배경 감소 기술, 저온 독자 시스템, 방사능 순도가 높은 재료를 활용하여 전체 뒤집힌 중성미오 질량 순서를 탐색하고, 정상 질량 순서 영역까지 확장하며, 양자정보 과학 분야에 광범위한 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Current experiments to search for broken lepton-number symmetry through the observation of neutrinoless double-beta decay ($0\mathrm{νββ}$) provide the most stringent limits on the Majorana nature of neutrinos and the effective Majorana neutrino mass ($m_{ββ}$). The next-generation experiments will focus on the sensitivity to the $0\mathrm{νββ}$ half-life of $\mathcal{O}(10^{27}$--$10^{28}$~years$)$ and $m_{ββ}\lesssim15$~meV, which would provide complete coverage of the so-called Inverted Ordering region of the neutrino mass parameter space. By taking advantage of recent technological breakthroughs, new, future calorimetric experiments at the 1-ton scale can increase the sensitivity by at least another order of magnitude, exploring the large fraction of the parameter space that corresponds to the Normal neutrino mass ordering. In case of a discovery, such experiments could provide important insights toward a new understanding of the mechanism of $0\mathrm{νββ}$. We present here a series of projects underway that will provide advancements in background reduction, cryogenic readout, and physics searches beyond $0\mathrm{νββ}$, all moving toward the next-to-next generation CUPID-1T detector.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 없는 이중베타붕괴 반감기를 10²⁷–10²⁸년으로 감지할 수 있도록 하여, 전체 뒤집힌 중성미오 질량 순서 영역을 커버한다.
• 정상 중성미오 질량 순서 영역으로의 감도를 확장하여, 효과적인 메조나 중성미오 질량이 15 meV 이하인 영역을 탐색한다.
• 고도진 방사능 순도 기술, 초저배경 재료, 그리고 깊은 지하 운영을 통해 배경을 감소시킨다.
• 고에너지 해상도를 확보하면서도 대규모 매크로볼로미터 어레이를 위한 확장 가능한 저온 독자 시스템을 개발한다.
• 초저온, 초순도 환경을 제공함으로써 초전도 큐비트를 위한 다음 세대 초전도 양자 프로세서의 운영을 가능하게 하여, 양자정보 과학 분야에 횡단적 응용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 밀리켈빈 온도에서 작동하는 고순도 결정 열측정기(빛열검출기)를 사용하여 0νββ 붕괴에서 발생하는 희귀 에너지 분포를 탐지한다.
• 고열용량 게르마늄 또는 텔루르리움 기반 결정의 대규모 어레이를 다중독자 방식으로 처리하여 고노출도 및 고에너지 해상도를 달성한다.
• 펄스 형태 분석, 방사능 순도 재료, 활성 경보 시스템을 포함한 고도화된 배경 감소 기술을 적용한다.
• 그란 사소 등 깊은 지하 실험실을 활용하여 우주선 및 천연 방사능 배경을 최소화한다.
• 감도 향상과 핵행렬원소의 불확실성 감소를 위해 여러 동위원소(예: ⁸²Se, ¹⁰⁰Mo, ¹³⁰Te)의 데이터를 통합한다.
• 다양한 이론 모델에서의 위상공간 인자와 핵행렬원소를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 감도를 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1톤 규모의 빛열검출기 실험은 10²⁸년의 0νββ 붕괴 반감기 감도와 15 meV 이하의 효과적인 메조나 중성미오 질량 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 초저배경 상태를 유지하면서도 저온 빛열검출기 어레이의 스케일업을 위한 핵심 기술적 및 재료적 과제는 무엇인가?
• RQ3 배경 감소 기술은 어떻게 최적화되어야 하며, 정상 중성미오 질량 순서 영역에서 0νββ의 발견 가능성을 높일 수 있는가?
• RQ4 CUPID-1T의 초저온, 초순도 환경은 다음 세대 초전도 양자 프로세서의 작동에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 희귀 사건 탐색과 양자정보 시스템 개발 간의 상호보완적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• CUPID-1T는 10년의 유의적 수명 동안 10²⁸년의 0νββ 붕괴 반감기 감도를 확보할 것으로 예측되며, 정상 중성미오 질량 순서 영역까지 감도를 확장할 수 있다.
• 실험은 효과적인 메조나 중성미오 질량이 15 meV 이하인 영역을 커버할 것으로 예측되며, 핵행렬원소 추정치가 보수적인 경우에도 뒤집힌 중성미오 질량 순서 전체 영역을 탐색할 수 있다.
• 최근 고순도 결정 성장 분야의 발전 덕분에, 스케일업 가능하고 고노출도이며 고에너지 해상도를 확보하고 내재적 배경을 감소시킬 수 있는 실험 설계가 가능해졌다.
• 펄스 형태 분류 및 방사능 순도 재료를 포함한 배경 감소 기술은 불가피한 배경을 1톤 규모의 감도에 적합한 수준으로 낮출 것으로 예상된다.
• CUPID-1T의 초저온, 초순도 환경은 양자정보 시스템에 유리한 영향을 미치며, 환경 방사능 감소가 큐비트의 코herence를 향상시키고 상관 오류를 감소시킨다는 증거가 있다.
• CUPID-1T는 2020년대 후반에 건설을 시작하고 2030년대 초에 시운전을 시작할 것으로 예상되며, 현재 저온 독자, 다중독자, 배경 감소 기술 분야에서 활발한 R&D 활동이 진행 중이다.