[论文解读] Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE

DQ Adams, Christopher Alduino+112 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文展示了CUORE实验的最新成果，该实验使用1.5吨TeO₂晶体冷却至10 mK，以探测130Te中的无中微子双贝塔衰变（0νββ）。在前所未有的低温稳定性和极低本底水平下运行，实验未发现0νββ衰变的证据，将其中子衰变半衰期的下限设定为T₀ν¹/² > 2.2×10²⁵ yr（90%可信度），标志着在寻找马约拉纳中微子和低温物理领域的重要进展。

ABSTRACT

The possibility that neutrinos may be their own antiparticles, unique among the known fundamental particles, arises from the symmetric theory of fermions proposed by Ettore Majorana in 1937. Given the profound consequences of such Majorana neutrinos, among which is a potential explanation for the matter-antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis, the Majorana nature of neutrinos commands intense experimental scrutiny globally; one of the primary experimental probes is neutrinoless double beta ($0 u \beta \beta$) decay. Here we show results from the search for $0 u \beta \beta$ decay of $^{130}$Te, using the latest advanced cryogenic calorimeters with the CUORE experiment. CUORE, operating just 10 millikelvin above absolute zero, has pushed the state of the art on three frontiers: the sheer mass held at such ultra-low temperatures, operational longevity, and the low levels of ionising radiation emanating from the cryogenic infrastructure. We find no evidence for $0 u \beta \beta$ decay and set a lower bound of $T_{1/2}^{0 u} > 2.2 imes 10^{25}$ years at a 90% credibility interval. We discuss potential applications of the advances made with CUORE to other fields such as direct dark matter, neutrino and nuclear physics searches and large-scale quantum computing, which can benefit from sustained operation of large payloads in a low-radioactivity, ultra-low temperature cryogenic environment.

研究动机与目标

• 通过探测130Te中的无中微子双贝塔衰变（0νββ）来研究马约拉纳中微子。
• 检验中微子是否为自身反粒子的假说，这或许能解释宇宙中物质-反物质不对称性。
• 通过在10 mK下以高稳定性与低本底运行1.5吨TeO₂晶体，推动低温量热测量技术的极限。
• 通过先进的波形分析和系统误差控制，提升对0νββ衰变的探测灵敏度。
• 展示毫开尔文低温技术在其他领域（如暗物质探测和量子计算）中的适用性。

提出的方法

• 利用988个体积的TeO₂晶体（总质量742 kg，含206 kg的130Te）作为低温量热计，通过定制的稀释制冷机冷却至约10 mK。
• 采用中子掺杂锗（NTD-Ge）热敏电阻探测能量沉积引起的热脉冲，并使用硅加热器实现热响应增益稳定。
• 应用主成分分析（PCA）处理波形，以平均波形作为主导成分，计算重构误差指标以实现本底抑制。
• 采用无分布的贝叶斯拟合方法，使用BAT软件对信号和本底进行建模，对0νββ衰变速率和本底参数采用均匀先验。
• 通过改变干扰参数（如能量偏移、能量分辨率、Qββ值、同位素丰度和探测效率）进行系统误差分析。
• 通过频率学分析（使用Rolke方法）和玩具蒙特卡洛模拟验证结果，计算探测灵敏度和排除极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在10 mK下使用1.5吨TeO₂晶体时，CUORE实验对130Te中0νββ衰变的探测灵敏度如何？
• RQ2 基于PCA的波形鉴别方法是否相比以往方法能更好地抑制本底并减小系统误差？
• RQ3 基于4年数据和1吨·年的曝光量，130Te中0νββ衰变半衰期的下限是多少？
• RQ4 系统误差（尤其是能量偏移和分辨率）如何影响最终的排除极限？
• RQ5 为CUORE开发的低温基础设施在其他稀有事例探测或量子技术中可应用到何种程度？

主要发现

• 在为期4年的测量周期内，CUORE实验在1吨·年的曝光量下，未发现130Te中无中微子双贝塔衰变的任何证据。
• 实验将130Te中0νββ衰变半衰期的下限设定为T₀ν¹/² > 2.2×10²⁵ yr（90%可信度区间），相比以往极限有显著提升。
• 基于PCA的波形鉴别方法实现了96.4 ± 0.2%的信号效率，较之前方法提高2.4%，并将PSD系统误差从0.6%降低至0.3%。
• 通过玩具模拟计算的实验中位排除灵敏度为T₀ν¹/² > 2.9×10²⁵ yr，显示出强大的未来潜力。
• 主要系统误差来源于能量偏移和分辨率的标定，这些误差在贝叶斯拟合中已得到仔细建模与处理。
• 低温基础设施在18个月连续运行中实现了90%的运行时间效率，温度稳定性保持在10 mK的0.1%以内，展示了该规模下前所未有的性能。