[论文解读] A New 76Ge Double Beta Decay Experiment at LNGS

Iris Abt, M. Altmann+47 more|ArXiv.org|Apr 29, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用 53

一句话总结

本文提出在格兰萨索国家实验室（LNGS）开展一项新型低本底76Ge无中微子双贝塔衰变实验，采用低温液氩屏蔽与富集76Ge探测器，以检验Klapdor-Kleingrothaus团队报告的4σ无中微子双贝塔衰变信号的争议性结论。该实验旨在实现本底抑制低于0.01 counts/keV/kg/y，从而在第二阶段实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.03 eV的探测灵敏度，进而以高显著性确认或否定Klapdor-Kleingrothaus的观测结果。

ABSTRACT

This Letter of Intent has been submitted to the Scientific Committee of the INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in March 2004. It describes a novel facility at the LNGS to study the double beta decay of 76Ge using an (optionally active) cryogenic fluid shield. The setup will allow to scrutinize with high significance on a short time scale the current evidence for neutrinoless double beta decay of 76Ge using the existing 76Ge diodes from the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments. An increase in the lifetime limit can be achieved by adding more enriched detectors, remaining thereby background-free up to a few 100 kg-years of exposure.

研究动机与目标

• 确认或否定Klapdor-Kleingrothaus报告的76Ge中无中微子双贝塔衰变4σ信号的争议性结论。
• 实现本底水平低于0.01 counts/keV/kg/y，从而实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.03 eV的探测灵敏度。
• 在LNGS建设新的实验设施，采用先进屏蔽与探测器技术，以最大限度减少本底源。
• 将76Ge双贝塔衰变实验的探测灵敏度推进至低于宇宙学相关阈值0.3 eV。
• 通过测量其有效质量，对中微子是否为马约拉纳粒子提供决定性检验。

提出的方法

• 利用低温液氩（LAr）屏蔽抑制外部与内部本底，充分发挥LAr优异的自屏蔽性能与闪烁特性。
• 使用富集76Ge探测器——包括现有及新制造的分段高纯锗二极管——作为源与探测器的双重角色。
• 提出采用具有平底设计的超绝缘低温容器，以最小化热应力与机械应力，并实现探测器的最优悬挂与屏蔽。
• 实施配备主动μ子与中子拒爆系统的仪器化屏蔽，以排除外部辐射本底。
• 采用基于PLC的冗余计算机化安全与监控系统，确保连续运行，并对断电、泄漏或压力异常等异常情况实现自动响应。
• 通过稀有气体吸附与原位传感器实时监测液氩与锗探测器的纯度，以维持超低本底条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在本底水平低于0.01 counts/keV/kg/y的条件下，确认76Ge中无中微子双贝塔衰变的争议性4σ信号？
• RQ2 如何优化低温与屏蔽配置，以最小化宇宙射线生成核素与屏蔽材料带来的本底贡献？
• RQ3 如何进一步降低本底水平，以实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.03 eV的探测灵敏度？
• RQ4 在液氩环境中制造与运行分段富集76Ge探测器面临的关键技术挑战是什么？
• RQ5 全自动化、冗余的安全与控制系统能否确保在深地实验室中长期可靠运行？

主要发现

• 该实验设计可实现本底水平低于0.01 counts/keV/kg/y，这是实现对有效马约拉纳中微子质量低于0.03 eV探测灵敏度的关键。
• 第一阶段将使用现有的天然与富集76Ge二极管，本底水平约为0.03 counts/keV/kg/y。
• 第二阶段将采用新制造的分段富集76Ge探测器，目标是积累100 kg·years的曝光量，以探测或排除该信号。
• 液氩屏蔽预计可使外部本底相比传统被动屏蔽降低1000倍。
• 安全系统包括基于PLC的前端控制与远程监控，确保对断电、泄漏或压力异常的自动响应。
• 时间安排假设2005年启动建设，第一阶段测量于2006年启动，第二阶段在富集76Ge材料采购完成后开始，预计2010年完成。