[论文解读] LEGEND-1000 Preconceptual Design Report

LEGEND Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2021

Color Science and Applications参考文献 3被引用 52

一句话总结

LEGEND-1000 旨在建立一个吨级、基于 锗 的无中微子双β衰变 实验，配备主动液态氩护盾，以达到超过 10^28 年半衰期的发现灵敏度，并探测倒置序列区的中微子质量。

ABSTRACT

Parallel talk presented at the XXI International Workshop on Neutrino Telescopes - Padova 29 September - 3 October 2025 (https://agenda.infn.it/event/44606/) On behalf of the LEGEND Collaboration Abstract: The LEGEND experiment searches for the neutrinoless double-beta (0νββ) decay of Ge-76 using isotopically-enriched high-purity germanium (HPGe) detectors with the ultimate discovery sensitivity beyond a half-life of 10^28 years. The project is conducted in stages. The first one, LEGEND-200, was steadily accumulating physics data at LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy) for more than one year with 140 kg of HPGe detectors. In 2024 the Collaboration unblinded the first data to check the sensitivity of the experiment and study the composition of the LEGEND-200 background, which was slightly higher than predicted based on screening measurements of the components. The detector array was subsequently disassembled to investigate the source of the elevated background, with nearby components undergoing re-cleaning and/or replacement as necessary. LEGEND-200 is scheduled to resume data taking in 2025. In this talk we will present the performance of the ongoing experiment and give an update on the status of its second phase: LEGEND-1000. Funds: This work is supported by the U.S. DOE and the NSF, the LANL, ORNL and LBNL LDRD programs; the European ERC and Horizon programs; the German DFG, BMBF, and MPG; the Italian INFN; the Polish NCN and MNiSW; the Czech MEYS; the Slovak RDA; the Swiss SNF; the UK STFC; the Canadian NSERC and CFI; the LNGS and SURF facilities.

研究动机与目标

• 动机并为使用富集的 76Ge 探测器进行吨级无中微子双β衰变 (0νββ) 搜索提供理由。
• 在先前的 Gerda 和 Majorana Demonstrator 创新基础上，定义一个基线 LEGEND-1000 设计。
• 量化探索潜力和背景目标，以覆盖倒置中微子质量顺序区域。
• 概述模块化的 LEGEND-1000 方案，包括探测器、屏蔽、以及地下实验室要求。

提出的方法

• 使用富集到>90% 的 76Ge 的 1000 kg Ge 探测器，分成四个 250-kg 模块，约包含 400 个 ICPC 晶体。
• 将 Ge 探测器置于放射性纯的地下液态氩 (UGLAr) 中，作为主动屏蔽，并利用液态氩的闪烁光进行背景抑制。
• 在 Qββ 处实现 ~0.12% 的全宽半高 (FWHM) 的出色能量分辨率，并应用脉冲形状判别以将体积内的 0νββ 事件与背景分离。
• 利用探测器颗粒度和 LAr 抑制来进行多变量事件拓扑判别，以将背景抑制到 <1×10^-5 cts/(keV kg yr)。
• 结合 LEGEND-200 的经验，使用倒置同轴点接触探测器来扩大量程并维持分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定投影背景和能量分辨率的情况下，LEGEND-1000 对 76Ge 中无中微子双β衰变的发现潜力是多少？
• RQ2 一个 1000 kg 的 76Ge 探测组合在约 10 年内是否能够达到超过 10^28 年的 0νββ 半衰期灵敏度并探测 mββ 在 9–21 meV 范围？
• RQ3 探测器设计、主动 LAr 屏蔽和地下位置如何影响背景抑制和信号提取？
• RQ4 为实现近似无背景运行，需要的设施、材料和数据分析方法有哪些？
• RQ5 在分阶段投入运行的前提下，部署四模块、400 探测器阵列的可行性与时间表是怎样的？

主要发现

• LEGEND-1000 的目标是在 99.7% 置信水平下达到发现灵敏度，并且有 50% 的机会观测到超过 10^28 年半衰期的 3σ 信号。
• 在倒置序列中，预计在 10 年的实际运行时间内，mββ 的灵敏度在 9–21 meV 范围。
• 背景目标通过多重缓解策略（ICPC 探测器、LAr 抑制、UG LAr、超净材料）实现小于 1×10^-5 counts/(keV kg yr)。
• 该设计建立在 LEGEND-200 的发展基础上，实现每个晶体质量>2×，并具备优异的能量分辨率，从而实现准无背景的搜索。
• 实验设置强调在 Qββ 处完全包含的单点能量沉积，并且无并发探测器信号，作为 0νββ 的特征。