[论文解读] Development of cryogenic low background detector based on enriched zinc molybdate crystal scintillators to search for neutrinoless double beta decay of $^{100}$Mo

D. Chernyak|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文介绍了用于寻找无中微子双贝塔衰变的、富含¹⁰⁰Mo的低温ZnMoO₄闪烁体热释光计的研制与表征。通过使用GEANT4的蒙特卡罗模拟，作者优化了光收集效率，模拟了2ν2β衰变谱，并评估了背景源，包括随机符合事件和内部污染，展示了在莫尔丹地下实验室低本底环境中提升灵敏度的有效抑制策略。

ABSTRACT

ZnMoO$_4$ scintillators with a mass of $\sim$ 0.3 kg, as well as Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals enriched in the isotope $^{100}$Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO$_4$ and two enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière. The low background measurements with a three ZnMoO$_4$ and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out. To optimize the light collection in ZnMoO$_4$ scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2$ν$2$β$ decay of $^{100}$Mo was simulated for the enriched Zn$^{100}$MoO$_4$ detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2$ν$2$β$ decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn$^{100}$MoO$_4$ crystals with a size of Ø60 $ imes$ 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated. Taking into account poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q$_{2β}$ energy of random coincidences of signals, in particular of 2$ν$2$β$ decay, which is one of the main sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance.

研究动机与目标

• 开发高纯度、富含¹⁰⁰Mo的ZnMoO₄晶体，用于低温热释光计。
• 表征通过低温梯度区熔法生长的ZnMoO₄及富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄晶体的光学与发光特性。
• 利用基于GEANT4的蒙特卡罗模拟，优化探测器模块中的光收集效率。
• 模拟并评估低温热释光计中来自内部污染、宇宙射线活化及随机符合事件的本底贡献。
• 开发并比较抑制随机符合事件的方法，这是Q值处2ν2β衰变的主要本底来源。

提出的方法

• 采用低温梯度区熔法生长0.3 kg的ZnMoO₄及富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄晶体。
• 测量光学与发光特性，以评估晶体质量与闪烁效率。
• 利用GEANT4软件包进行蒙特卡罗模拟，以建模不同探测器几何结构下的闪烁光子收集。
• 模拟不同形状与质量的富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄探测器的2ν2β衰变谱，以研究能谱依赖性。
• 在EDELWEISS实验装置中，对来自内部放射性、宇宙射线活化及装置污染的本底贡献进行建模。
• 分析Q₂β能量处的随机符合事件，评估其抑制效率随探测器时间分辨率与性能的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 晶体几何形状如何影响ZnMoO₄闪烁体热释光计的光收集效率与信号响应？
• RQ2 晶体形状与质量对富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄探测器中模拟的2ν2β衰变谱有何影响？
• RQ3 低温ZnMoO₄探测器中的主要本底贡献是什么，包括内部污染与宇宙射线活化？
• RQ4 随机符合事件（尤其是来自2ν2β衰变的）如何在Q₂β能量处贡献本底，以及如何有效抑制？
• RQ5 随机符合事件抑制效率如何依赖于低温热释光计的时间分辨率与性能？

主要发现

• 首次成功采用低温梯度区熔法生长出0.3 kg的ZnMoO₄及富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄晶体，其光学与发光特性表现良好。
• 蒙特卡罗模拟表明，探测器几何结构显著影响光收集效率，优化设计可提升信号探测能力。
• 模拟结果表明，富含¹⁰⁰Mo的Zn¹⁰⁰MoO₄探测器的2ν2β衰变谱对晶体形状与质量敏感，影响能量分辨率与本底建模。
• 内部放射性与宇宙射线活化被确定为本底的主要贡献源，污染水平已通过模拟实现准确的本底预算。
• 随机符合事件（尤其是来自2ν2β衰变的）被发现是Q₂β能量处的主要本底来源，多种抑制方法已评估其有效性。
• 随机符合事件的抑制效率被证明强烈依赖于探测器的时间分辨率，时间分辨率越优，本底抑制效果越佳。