[论文解读] Neutrinoless double beta decay search with liquid scintillator experiments

Y. Gando|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文介绍了液态闪烁体实验KamLAND-Zen和SNO+在寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）方面的现状与未来前景，该过程若被证实，将确认中微子为马约拉纳费米子并探测有效中微子质量。通过利用超低本底环境和可扩展的液态闪烁体探测器并实现高装料质量，这些实验已具备探测反 neutrino 质量顺序（inverted neutrino mass hierarchy）的灵敏度，其中KamLAND-Zen 800在90%置信水平下设定了 $ T_{1/2}^{0\nu} > 1.07 \times 10^{26} $ 年的下限。

ABSTRACT

Liquid scintillator experiments for neutrinoless double beta decay search have high sensitivity based on the ultra low background environment and high scalability. This paper describes an overview of current ongoing projects KamLAND-Zen and SNO+.

研究动机与目标

• 寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）作为新物理的探针。
• 利用具有高可扩展性和超低本底的液态闪烁体探测器测定有效马约拉纳中微子质量 $\langle m_{\beta\beta}\rangle$。
• 实现对反 neutrino 质量顺序的探测灵敏度，需约 $ 10^3 $ kg 的双贝塔衰变同位素。
• 开发并部署先进的纯化、封装和本底抑制技术，用于液态闪烁体实验。

提出的方法

• 采用高装料质量的液态闪烁体探测器（SNO+中最多达1,330 kg的130Te），实现大曝光量和高灵敏度。
• 使用超纯液态闪烁体，将钍和铀的污染降低至 $ O(10^{-18}) $ g/g，以最小化放射性本底。
• 采用向内观测的光电倍增管（PMTs）探测闪烁光，通过时间特性和电荷积分重建能量和位置。
• 应用先进的本底抑制技术，包括通过三重符合（μ子、2.2 MeV γ、10C衰变）实现的μ子屏蔽，以及通过高发光效率和透明度提升能量分辨率。
• 部署微型气球封装系统以容纳富集的液态闪烁体，配合严格的无尘室操作规程和静电控制，防止污染。
• 通过掺杂氙气增强对10C和太阳8B中微子的本底抑制，利用亨利定律提高其在深度下的溶解度。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态闪烁体探测器能否实现所需的超低本底环境，以探测0νββ衰变中的反 neutrino 质量顺序？
• RQ2 KamLAND-Zen和SNO+对有效马约拉纳中微子质量 $\langle m_{\beta\beta}\rangle$ 的灵敏度如何？
• RQ3 在大规模液态闪烁体探测器中，如何有效抑制10C、214Bi和太阳8B中微子等本底源？
• RQ4 为实现对正常和简并质量顺序的探测，需要哪些技术进步？
• RQ5 氙气掺杂和高发光效率闪烁体在提升能量分辨率和本底抑制方面发挥什么作用？

主要发现

• KamLAND-Zen 400实验在90%置信水平下对136Xe设定了 $ T_{1/2}^{0\nu} > 1.07 \times 10^{26} $ 年的下限，对应 $ \langle m_{\beta\beta}\rangle < 61 - 165 $ meV。
• SNO+已开始填充液态闪烁体，未来将加载碲（130Te），实现1,330 kg的130Te，以开展0νββ衰变的搜索。
• KamLAND-Zen 800阶段自2019年1月起开始数据采集，目标是在三年运行后探测反 neutrino 质量顺序。
• KamLAND-Zen 800的微型气球系统于2018年5月成功安装，采用多层无尘室规程和半自动焊接技术以防止污染。
• 对微型气球内液态闪烁体的纯化将232Th污染降低至 $ O(10^{-15}) $ g/g，显著改善了本底控制。
• 未来的KamLAND2-Zen计划通过提升发光效率、光电倍增管量子效率以及氙/液态闪烁体比例，进一步增强对体积相关本底的抑制能力。