[论文解读] Aboveground test of an advanced Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometer to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo

Tatyana B. Bekker, N. Coron+15 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 51被引用 3

一句话总结

本研究展示了在地面上成功运行一个大体积Li₂MoO₄闪烁量热计（50 cm³）用于探测¹⁰⁰Mo的无中微子双贝塔衰变（0ν2β）的成果。该探测器实现了优异的能量分辨率和α/β本底抑制，初步的放射纯度指示表明，Li₂MoO₄是下一代低本底实验的极具前景的材料。

ABSTRACT

Large lithium molybdate (Li$_2$MoO$_4$) crystal boules were produced by using the low thermal gradient Czochralski growth technique from deeply purified molybdenum. A small sample from one of the boules was preliminary characterized in terms of X-ray-induced and thermally-excited luminescence. A large cylindrical crystalline element (with a size of $\oslash 40 imes40$ mm) was used to fabricate a scintillating bolometer, which was operated aboveground at $\sim 15$ mK by using a pulse-tube cryostat housing a high-power dilution refrigerator. The excellent detector performance in terms of energy resolution and $α$ background suppression along with preliminary positive indications on the radiopurity of this material show the potentiality of Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometers for low-counting experiment to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo.

研究动机与目标

• 通过低热梯度柴赫拉斯基法生长高纯度Li₂MoO₄晶体，用于闪烁量热计。
• 在约15 mK的地面低温装置中测试大尺寸Li₂MoO₄闪烁量热计（40×40 mm）的性能。
• 评估探测器的能量分辨率、α/β分离能力以及放射纯度，为未来的0ν2β衰变实验提供依据。
• 评估将Li₂MoO₄作为源-探测器材料的可行性，其钼浓度高达55.2 wt%，且本征放射性水平低。
• 为未来地下运行及富集¹⁰⁰Mo掺杂Li₂MoO₄量热计的开发奠定基础。

提出的方法

• 通过低热梯度柴赫拉斯基法，从深度纯化的三氧化钼中生长出大尺寸Li₂MoO₄晶锭。
• 将圆柱形晶体（40×40 mm）加工后用于构建结合热电和光电信号探测的闪烁量热计。
• 利用脉冲管制冷机与高功率稀释制冷机，在约15 mK温度下运行探测器。
• 测量X射线激发和热激发下的发光特性，以表征晶体的闪烁性能。
• 采用热-光散点图技术评估能量分辨率和α/β本底抑制性能。
• 观测到⁶Li(n,t)α反应的中子俘获峰，以评估中子诱发本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过柴赫拉斯基法生长出高质量、高钼含量的Li₂MoO₄晶体，用于量热探测器？
• RQ2 大尺寸Li₂MoO₄闪烁量热计是否具备足够的能量分辨率和α/β排斥能力，以满足0ν2β衰变探测的需求？
• RQ3 Li₂MoO₄材料的本征放射纯度水平如何，特别是⁴⁰K、²³²Th和²³⁸U污染的程度？
• RQ4 通过控制晶体缺陷，能否提高闪烁光产额和发光效率？
• RQ5 探测器在地面上的性能表现如何？其在地下运行时的本底抑制潜力如何？

主要发现

• Li₂MoO₄晶体在约600 nm处表现出最大发光峰，冷却至8 K时发光强度提高约5倍。
• 闪烁量热计实现了优异的能量分辨率和显著的α/β分离，证实其适用于低本底实验。
• 清晰观测到⁶Li(n,t)α中子俘获峰，表明存在可探测的中子诱发本底。
• 尽管在地面上运行，探测器的能量分辨率和本底抑制性能与以往的Li₂MoO₄器件相比不相上下甚至更优。
• 初步结果表明放射纯度水平较低，⁴⁰K活度为170(80) mBq/kg，²³²Th和²³⁸U活度分别低于0.11和0.09 mBq/kg。
• 50 cm³的探测器体积至少是以往运行的Li₂MoO₄量热计的五倍，已接近大型0ν2β衰变实验单模块所需尺寸。