[论文解读] Search for neutrinoless double-beta decay with SNO+

V. Fischer|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 8

一句话总结

SNO+ 在 130Te 中通过 0.5% 自然碲掺杂的 780 吨液态塑料闪烁体探测器寻找无中微子双贝塔衰变，5 年后预期的半衰期灵敏度为 1.9 × 10^26 年，对应于有效马约拉纳中微子质量的极限为 50.6 meV，从而探测了反序中微子质量层次区域。

ABSTRACT

The SNO+ experiment, located in SNOLAB, 2 kilometers underground in the Creighton mine, near Sudbury, Canada, is a large scale neutrino detector whose main purpose is to search for neutrinoless double-beta decay and thus probe the Majorana nature of the neutrino. With 780 tons of liquid scintillator loaded with tellurium, SNO+ aims at exploring the Majorana neutrino mass parameter space down to the inverted mass hierarchy region. The versatility of the SNO+ detector also allows it to detect solar and reactor neutrinos, provide a measurement of the geoneutrino flux, detect galactic core-collapse supernovae and perform nucleon decay searches. The SNO+ experiment is currently taking data with a detector fully filled with ultrapure water. The detector will be completely filled with liquid scintillator in the coming months and subsequently loaded with tellurium.

研究动机与目标

• 通过在 130Te 中寻找无中微子双贝塔衰变，探测中微子的马约拉纳性质。
• 通过实现对有效马约拉纳中微子质量低于 50.6 meV 的灵敏度，探索反序中微子质量层次区域。
• 利用相同的探测器基础设施测量太阳中微子和反应堆中微子、地中微子，并探测超新星中微子。
• 利用探测器的水相态在 16O 中开展核子衰变搜索。
• 开发并示范一种可扩展的方法，将高浓度碲掺杂入液态塑料闪烁体，同时保持背景水平最低。

提出的方法

• 在地下 2 公里处的 SNOLAB 中使用 780 吨液态塑料闪烁体探测器，以最大限度减少宇宙射线背景。
• 采用一个直径 12 米的丙烯酸容器，初始填充超纯水，随后替换为液态塑料闪烁体（LAB + PPO），最终通过重量掺杂 0.5% 的天然碲。
• 使用 9300 个光电倍增管（PMTs），光电覆盖率达 53%，以探测粒子相互作用产生的闪烁光。
• 采用多相校准系统，利用发光二极管、激光器、光纤和放射性源，测量 PMT 响应和光传输特性。
• 在地下设置纯化设施，将铀和钍的污染分别降低至 <1.3 × 10^-15 g/g 和 <5 × 10^-16 g/g 以下。
• 采用波长位移剂（bis-MSB）和高光产额闪烁体混合液（10,000 光子/MeV），以提升能量分辨率和背景区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 SNO+ 在 0.5% 碲掺杂条件下，能否实现对无中微子双贝塔衰变半衰期低于 2 × 10^26 年的灵敏度？
• RQ2 在 130Te 的 Q 值（2527.01 keV）中心区域，预期的本底谱是什么？
• RQ3 在不造成显著光衰减的前提下，能否将碲在液态塑料闪烁体中的掺杂浓度提高至 3%？
• RQ4 在 0.5% Te 掺杂条件下，5 年数据采集后，有效马约拉纳中微子质量的预期极限是多少？
• RQ5 与 Super-Kamiokande 等其他大型探测器相比，该探测器在核子衰变探测方面的灵敏度如何？

主要发现

• 在 0.5% 碲掺杂条件下运行 5 年后，SNO+ 对 130Te 无中微子双贝塔衰变的半衰期灵敏度预计为 1.9 × 10^26 年。
• 有效马约拉纳中微子质量的预期极限为 50.6 meV，使 SNO+ 进入反序中微子质量层次区域。
• 感兴趣区域内的本底源包括 8B 太阳中微子的弹性散射、内部 U/Th 污染、外部伽马射线、(α,n) 反应以及碲活化产生的宇宙射线核素。
• 即使在 0.5% 碲掺杂条件下，探测器的光产额预计仍保持较高水平（10,000 光子/MeV），光学透明度也足够，从而实现低能阈值和良好的能量分辨率。
• 研究显示，碲掺杂浓度可提高至 3%（按重量计）而不会造成显著的光传输损失，为未来实现超过 10^27 年的灵敏度提升提供了可能。
• SNO+ 的水相态已成功实现初步的核子衰变搜索，6 个月数据采集后，感兴趣区域的预期本底事件数仅为 30 个。