[论文解读] CUPID pre-CDR

The CUPID Interest Group|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2019

Medical Imaging and Pathology Studies被引用 33

一句话总结

本文概述 CUPID，一种建立在 CUORE 基础设施之上、利用富集于 100Mo 的 Li2MoO4 晶体的下一代热量计搜索无中微子双β衰变的方法，以实现背景抑制和高灵敏度。

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 dramatically reduce the backgrounds in the region of interest introducing a high efficiently $α$/$β$ discrimination techniques, also demonstrated by the CUPID-0 and CUPID-Mo experiments, and using a high transition energy double beta decay nucleus, $^{100}$Mo. This document describe the main concepts related with the design of the CUPID experiment and indicates the projected sensitivities and the global scientific goal of the experiment.

研究动机与目标

• 激励通过 0νββ 衰变进行的轻子数守恒破坏搜索及其对大质量中微子（Majorana 中微子）及超越标准模型物理的含义。
• 呈现利用 CUORE 基础设施来实现显著降低背景和提升发现潜力的 CUPID 基线设计。
• 提出一种可扩展的多同位素热量计方法，具备高能量分辨、强阿尔法背景抑制和分阶段部署。
• 评估在现有低温基础设施内部署吨级富集 100Mo 的 CUPID 探测器的可行性。
• 概述预计的物理探测潜力、部署时间表以及实现 CUPID 成功所需的关键技术升级。

提出的方法

• 采用富集于 100Mo 的 Li2MoO4 晶体的发光热量计，以实现热量与光信号的同时读出，从而进行阿尔法粒子区分。
• 使用中子经变量掺杂 NTD 的 Ge 热敏电阻作为热传感器，耦合到每个晶体和光探测器。
• 使用 CUORE 冷头及其基础设施，并进行低振动、低放射性环境的升级。
• 设计1吨级原型和分阶段部署计划，以实现约 1e-4 counts/(keV·kg·yr) 的背景指数。
• 将探测器设计为在现有 CUORE 低温系统中的瓷砖状塔，尽量减少对整体布置的改变。
• 保留研究替代同位素/晶体选项（如 TeO2）的可能性，以实现多同位素能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在基线 Li2MoO4(100Mo) 配置下，约10 年运行，CUPID 能达到的有效大质量中微子质量 mββ 的灵敏度是多少?
• RQ2 能否有效抑制阿尔法背景，在 100Mo 的感兴趣区域达到 ~1e-4 counts/(keV·kg·yr) 的背景指数?
• RQ3 在现有 CUORE 冷却系统和基础设施内，吨级 CUPID 探测器是否可行，需要哪些升级?
• RQ4 多同位素热量计方法在发现潜力和可行性方面，与其他下一代 0νββ 项目相比如何？
• RQ5 将 CUORE 的运营推进到完整 CUPID 部署的预计时间表和里程碑是什么？

主要发现

• 基线 CUPID 设计使用 Li2Mo100MoO4 晶体，单晶质量约 308 g，总计约 253 kg 的 100Mo 和 1534 个晶体。
• 预计能量分辨率在 2615 keV 时约为 ~5 keV FWHM，含量效率约 79%，筛选效率约 90%。
• 预计在 100Mo 的感兴趣区域的背景指数约为 ~1e-4 counts/(keV·kg·yr)。
• 以 90% CL 可达的 0νββ 半衰期灵敏度为 1.5e27 年，3σ 发现灵敏度为 1.1e27 年，十年有效观测时间。
• 以 mββ 表示，CUPID 目标为 90% CL 限值 10–17 meV，3σ 发现灵敏度 12–20 meV。
• 演示器 CUPID-0 与 CUPID-Mo 展示了 5 keV 分辨率、99.9% α 拒绝率，带有全 β/γ 接受，以及对 232Th/238U 的内部放射性纯度在或低于 5 μBq/kg。