[论文解读] CUPID: CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) Upgrade with Particle IDentification

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

Neutrino Physics Research被引用 39

一句话总结

CUPID 提出了一项新一代吨级量级的热释光实验，旨在探测无中微子双贝塔衰变（0νββ），利用 CUORE 的基础设施和专业知识，实现对有效马约拉纳中微子质量的 10–15 meV 敏感度。通过采用同位素富集晶体、先进粒子识别以及严格的本底抑制，CUPID 旨在探测反常中微子质量顺序，并证实轻子数不守恒。

ABSTRACT

CUPID is a proposed future ton-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 the science goals of CUPID, defines the scope for the near-term R&D activities, and presents a roadmap towards mounting this next-generation experiment. A separate document discusses the extensive R&D program in more detail.

研究动机与目标

• 发现无中微子双贝塔衰变（0νββ），并确立中微子的马约拉纳性质。
• 通过实现对有效马约拉纳中微子质量的 10–15 meV 敏感度，探测反常中微子质量顺序。
• 通过先进的粒子识别和材料纯化，将本底降低至 0.1 个计数/(吨·年) 以下，以覆盖感兴趣区域。
• 利用现有的 CUORE 基础设施、低温系统和探测器技术，实现成本效益高的可扩展性。
• 制定同位素富集、晶体生产及探测器技术的路线图，实现可重复、低本底的性能。

提出的方法

• 在高纯度、低本底的热释光晶体中使用同位素富集的 100Mo、82Se、116Cd 或 130Te。
• 通过脉冲形状分析实现粒子识别，以区分电子样事件与本底的α和β衰变。
• 集成先进的低温读出系统，具备高能量分辨率（2.6 MeV 处 ≤10 keV 半高全宽）和低电子噪声。
• 应用严格的放射纯度筛选和材料选择，以最小化探测器组件中的本征放射性。
• 通过至少 8 个模块的原型阵列进行地下测试，以在真实条件下验证性能。
• 采用并扩展 CUORE 已验证的热释光技术，包括机械、低温和数据获取系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 吨级量级的热释光实验是否能在 0νββ 感兴趣区域实现 ≤0.1 个计数/(吨·年) 的本底水平？
• RQ2 需要何种同位素富集和晶体生长技术，才能生产出 1–2 吨高纯度、低本底的富集晶体？
• RQ3 在大规模热释光探测器中，脉冲形状分析是否能可靠地排除来自α和β衰变的表面和体积极事件？
• RQ4 如何对现有 CUORE 基础设施进行改造，以支持下一代具有更高敏感度的实验？
• RQ5 为满足 2025–2030 年部署时间表，富集同位素和探测器模块的现实生产周期和成本是什么？

主要发现

• CUPID 在 10 年运行周期内，对有效马约拉纳中微子质量的 90% 置信度极限敏感度为 6–15 meV。
• 该实验对有效马约拉纳质量的 3σ 发现敏感度为 6–15 meV，对应 130Te 的 0νββ 衰变寿命约为 4.9×10²⁴ 年。
• 为实现目标敏感度，必须将本底水平降低至感兴趣区域 <0.1 个计数/(吨·年) 以下。
• 在大规模阵列中，能量分辨率必须保持在或优于 CUORE 的水平（2.6 MeV 处 ≤10 keV 半高全宽）。
• 必须通过至少 8 个模块在地下运行的原型测试，以验证可扩展性、可重复性和低噪声性能。
• 该合作计划在两年内完成概念设计报告（CDR）并组建国际合作，基于正在进行的研发工作和 CUORE 的本底测量结果。