[论文解读] Intrinsic Radioactivity in a GSO Crystal and Limits on Double Beta Decay of Gd-160

S.C. Wang, H.T. Wong+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2000

Neutrino Physics Research被引用 14

一句话总结

本研究测量了GSO闪烁晶体中的本征放射性，以评估其在低本底中微子实验中的适用性。通过时间相关性分析和谱形拟合，识别出来自²³²Th和²³⁸U衰变链的本底贡献，与模拟结果具有良好一致性，并实现了10⁻²至10⁻³的本底抑制因子。主要结果为对¹⁶⁰Gd无中微子双贝塔衰变半衰期的限制为T₀νββ₁/₂ > 2.0×10²⁰ y（68%置信水平），为未来实验设定了基准。

ABSTRACT

Scintillating crystal detector offers potential advantages in low-energy low-background experiments for particle physics and astrophysics. The GSO crystal is an interesting detector to explore for future neutrino physics experiments. The contributions to background due to the various channels of intrinsic radio-isotopes from the Th-232 and U-238 series are identified and studied with time-correlation analysis and detailed fits to the spectral shape. Good agreement is achieved between measured and simulated spectra, indicating background suppression factors to the 10^{-2} - 10^{-3} level are possible. The procedures can be adopted for background understanding and suppression in other low-count-rate experiments where the dominant source of background is from internal radioactivity. Based on 1656 hours of data taking, limits on the double beta decay half-life for the various channels in Gd-160 are presented. The limit for the neutrinoless mode is T^{0 νββ}_{1/2} > 2.0(0.8) X 10^{20} y at 68(90)% confidence level.

研究动机与目标

• 量化商用GSO晶体中的本征放射性，作为其在低本底中微子实验中应用的关键步骤。
• 利用时间相关性和谱形拟合技术，识别并表征来自²³²Th和²³⁸U衰变系列的本底贡献。
• 推导¹⁶⁰Gd双贝塔衰变半衰期的限制，特别是无中微子和Majoron模式，以评估GSO作为探测材料的可行性。
• 开发并验证一种用于理解与抑制低计数率实验中本底的方法，这些实验的本底主要由内部放射性主导。

提出的方法

• 将一块1.744 kg的GSO晶体与光电倍增管耦合，并用主动和被动屏蔽包围，包括NaI(Tl) veto闪烁体和铅屏蔽。
• 利用时间相关性技术分析了1656小时测量数据，以识别来自²³²Th和²³⁸U系列核素的衰变链。
• 使用蒙特卡罗模拟拟合谱形，以匹配实测谱形，从而实现对本底组分的识别与量化。
• 从拟合中提取了关键核素（如²²⁸Ra、²²⁸Th、²¹²Pb、²¹²Bi和²²⁷Ac）的活度水平，并进行了淬灭和探测效率的修正。
• 基于实测谱形与模拟谱形的一致性，估算出本底抑制因子为10⁻²至10⁻³。
• 通过68%和90%置信水平的统计分析，推导出双贝塔衰变半衰期的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些本征放射性核素是商用GSO晶体中本底的主要贡献者？
• RQ2 时间相关性和谱形拟合技术在闪烁晶体中对内部本底组分的抑制与识别程度如何？
• RQ3 基于此测量，¹⁶⁰Gd无中微子双贝塔衰变半衰期的限制是什么？
• RQ4 测量得到的本底水平与CsI(Tl)等其他闪烁体相比如何？这对探测器设计有何启示？
• RQ5 本研究开发的方法是否可推广至其他以内部放射性为主导背景的低计数率实验？

主要发现

• 测得的GSO晶体本征放射性主要来自²³²Th和²³⁸U衰变系列，关键贡献者为²²⁸Ra、²²⁸Th、²¹²Pb、²¹²Bi和²²⁷Ac。
• 时间相关性和谱形拟合技术实现了实测谱形与模拟谱形的良好一致性，表明本底抑制因子10⁻²至10⁻³是可实现的。
• ¹⁶⁰Gd无中微子双贝塔衰变半衰期的限制为T₀νββ₁/₂ > 2.0×10²⁰ y（68%置信水平）。
• ¹⁶⁰Gd Majoron模式双贝塔衰变半衰期的限制为Tχββ₁/₂ > 3.0×10¹⁹ y（68%置信水平）。
• 在90%置信水平下，限制分别为T₀νββ₁/₂ > 0.8×10²⁰ y 和 Tχββ₁/₂ > 1.9×10¹⁹ y。
• 本研究展示了一套稳健的闪烁晶体本底减法方法，可应用于其他以内部放射性为主导背景的低本底实验。