[论文解读] LEGEND: The Large Enriched Germanium Experiment for Neutrinoless Double-Beta Decay

Jordan Myslik|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 7

一句话总结

LEGEND提出了一项分阶段、吨级规模的76Ge实验，旨在搜索无中微子双贝塔衰变，利用GERDA和Majorana Demonstrator技术的超低本底和高能量分辨率。合作组计划通过在现有GERDA低温恒温器中部署200 kg（LEGEND-200）并扩展至1000 kg（LEGEND-1000）实现超过10^28年的发现潜力，背景目标分别为<0.6和<0.1 counts/(FWHM·t·y)。

ABSTRACT

The lepton number violating process of neutrinoless double-beta decay could result from the physics beyond the Standard Model needed to generate the neutrino masses. Taking different approaches, the current generation of $^{76}$Ge experiments, the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, lead the field in both the ultra-low background and energy resolution achieved. The next generation of neutrinoless double-beta decay experiments requires increased mass and further reduction of backgrounds to maximize discovery potential. Building on the successes of the MAJORANA DEMONSTRATOR and GERDA, the LEGEND collaboration has been formed to pursue a tonne-scale $^{76}$Ge experiment, with discovery potential at a half-life beyond $10^{28}$ years. The collaboration aims to develop a phased neutrinoless double-beta decay experimental program, starting with a 200 kg measurement using the existing GERDA cryostat at LNGS. These proceedings discuss the plans and physics reach of LEGEND, and the combination of R&amp;D efforts and existing resources being employed to expedite physics results.

研究动机与目标

• 解决对下一代0νββ衰变实验的需求，提升质量并降低本底，以探测反序中微子质量顺序。
• 利用GERDA和Majorana Demonstrator的成熟技术，以最小化研发时间并最大化本底抑制。
• 通过分阶段部署富集锗探测器，实现0νββ衰变半衰期超过10^28年的3σ发现潜力。
• 优化探测器设计、前端电子学和屏蔽结构，以减少宇宙射线和固有放射性引起的本底。
• 利用LNGS现有的基础设施开展LEGEND-200，以加速物理结果产出，并保持向LEGEND-1000推进的技术势头。

提出的方法

• 在LNGS的现有GERDA低温恒温器中部署最多200 kg的富集76Ge探测器，使用液氩作为主动本底抑制和屏蔽。
• 采用低质量前端（LMFE）电子学，使用放射纯材料并最小化质量，以减少电子本底并保持能量分辨率。
• 采用倒置同轴点接触（ICPC）锗探测器（每只1.5–2.0 kg），以减少每公斤的电缆和前置放大器数量，降低本底贡献。
• 在LEGEND-1000中使用去除42Ar的地下氩气，以消除天然氩中42K离子本底，提升本底抑制效果。
• 应用波形形状分析和γ射线关联标记技术，以排除表面事件和多点事件，提高信号纯度。
• 开展ASIC前置放大器的研发以支持未来的LEGEND-1000，并优化液氩中闪烁光收集，通过改进闪烁纤维和纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 分阶段的76Ge实验能否在现实本底水平下实现0νββ衰变半衰期超过10^28年的3σ发现潜力？
• RQ2 LNGS的现有GERDA低温恒温器能否支持200 kg富集锗探测器阵列，且本底低于0.6 counts/(FWHM·t·y)？
• RQ3 在扩展至1000 kg富集76Ge时，何种探测器几何形状和屏蔽策略可最大限度降低本底？
• RQ4 未来大规模实验中，如何消除天然氩气中42K离子本底？
• RQ5 如LMFE等放射纯、低质量前端电子学能否在液氩环境中保持优异能量分辨率和低噪声？

主要发现

• LEGEND-200的目标本底水平为<0.6 counts/(FWHM·t·y)，在1吨·年的曝光下可实现超过10^27年的灵敏度。
• LEGEND-200实验预计于2021年开始物理数据采集，利用现有的GERDA低温恒温器和基础设施。
• 1000 kg的LEGEND-1000阶段目标本底为<0.1 counts/(FWHM·t·y)，以实现超过10^28年的发现潜力。
• 倒置同轴点接触（ICPC）探测器设计可实现1.5–2.0 kg的大尺寸探测器，性能与BEGe和PPC类型相当，减少组件数量和本底。
• 在LEGEND-1000中使用去除42Ar的地下氩气可消除42K离子本底，这是天然氩气中的主要本底来源。
• ASIC前置放大器和液氩中闪烁光收集的改进研发正在进行，以支持未来实验的可扩展性和性能提升。