[论文解读] Liquid Argon Ionization Detector for Double Beta Decay Studies

V. D. Ashitkov, A. S. Barabash+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2003

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

本论文介绍了DBA合作组在格兰萨索地下实验室研制的多区段液氩电离探测器，用于研究100Mo的双贝塔衰变。该探测器首次观测到100Mo的两中微子双贝塔衰变，半衰期为(7.2 ± 0.9(统计) ± 1.8(系统相关)) × 10^18 yr，并设定了中微子无质量双贝塔衰变模式的新上限，确立了液氩中222Rn活度(1.2 × 10^{-3} Bq/kg)和42Ar含量(4.3 × 10^{-21} g/g)的世界领先上限，置信水平为90%。

ABSTRACT

A multisection liquid argon ionization detector was developed by the DBA collaboration to study the double beta- decay of $^{100}$Mo. The experiment was carried out in the Gran Sasso underground laboratory in Italy. The detector design and main characteristics are described. The $ββ(2ν)$ decay of $^{100}$Mo was observed and its half-life measured: $T_{1/2}=[7.2 \pm 0.9(stat) \pm 1.8(syst)] imes 10^{18}$ yr. Limits on the 0$ν$ and 0$νχ^{0}$ modes of the decay were obtained: $T_{1/2}> 8.4(4.9) imes 10^{21}$ yr and $T_{1/2}> 4.1(3.2) imes 10^{20}$ yr at 68% (90%) C.L., respectively. In addition the upper limits on the $^{42}$Ar content and $^{222}$Rn activity in liquid Ar were found to be $4.3 imes 10^{-21}$ g/g and $1.2 imes 10^{-3}$ Bq/kg, respectively.

研究动机与目标

• 利用液氩电离探测器搜索100Mo的无中微子双贝塔衰变(0νββ)。
• 测量100Mo的两中微子双贝塔衰变(2νββ)半衰期，作为核矩阵元计算的基准。
• 对液氩中的放射性杂质施加严格限制，特别是42Ar和222Rn，这些是未来大型液氩探测器的关键背景源。
• 证明高纯度液氩电离探测器在深地环境下进行稀有衰变探测的可行性与性能。

提出的方法

• 构建了由钛和氟塑料部件组成的多区段液氩电离探测器，采用14个阴极、15个阳极和28个屏蔽栅极来定义灵敏体积。
• 通过真空绝热系统用液氮冷却，以维持液氩温度稳定，并将沸腾损失控制在6 L/h以内。
• 采用高压电极（阴极为−4.8 kV，栅极为−2 kV）和电荷灵敏前置放大器，实现对电子轨迹电离电荷的精确收集。
• 通过被动铅屏蔽、氡气防护以及对0νββ和0νχ⁰搜索设定每电子1 MeV的能量阈值，实现背景抑制。
• 数据采集采用16位ADC系统，采样率为100 ns，记录电荷脉冲，实现能量与波形分辨，用于事件识别。
• 利用蒙特卡洛模拟计算了2νββ（2.2%）、0νββ（6.9%）和0νχ⁰（5.7%）衰变模式的探测效率，假设衰变源分布在液氩中或阴极表面。

实验结果

研究问题

• RQ1 100Mo在液氩中的两中微子双贝塔衰变半衰期是多少？
• RQ2 100Mo的无中微子双贝塔衰变(0νββ)半衰期的下限是多少？
• RQ3 根据单电子本底谱，液氩中42Ar含量和222Rn活性的上限分别是多少？
• RQ4 被动屏蔽与能量阈值结合在抑制0νββ和0νχ⁰衰变搜索背景方面效果如何？
• RQ5 钼箔中的放射性杂质对半衰期测量的系统误差有多大影响？

主要发现

• 观测到100Mo的两中微子双贝塔衰变，半衰期为(7.2 ± 0.9(统计) ± 1.8(系统相关)) × 10^18 yr。
• 在68%置信水平下，100Mo的0νββ衰变半衰期下限为T₁/₂ > 8.4 × 10^21 yr；在90%置信水平下为> 4.9 × 10^21 yr。
• 0νχ⁰衰变半衰期下限为T₁/₂ > 4.1 × 10^20 yr（68%置信水平）和> 3.2 × 10^20 yr（90%置信水平）。
• 液氩中222Rn活性的上限确定为1.2 × 10^{-3} Bq/kg（90%置信水平），为目前世界最佳实验限制。
• 液氩中42Ar含量的上限为4.3 × 10^{-21} g/g（90%置信水平），同样为世界最佳限制。
• 探测器实现了1.9 × 10^{-9} equiv.O₂的液氩纯度，证实了高纯度运行在稀有过程探测中的可行性。