[论文解读] Snowmass 2021 White Paper: The Selena Neutrino Experiment

Á. Chavarría, C. Galbiati+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 4

一句话总结

Selena 实验提出使用 10 吨富集 82Se 的非晶态硒（aSe）作为靶材料，结合 CMOS 有源像素传感器，实现无背景的无中微子双贝塔衰变探测与太阳中微子能谱学研究。该技术可实现电离径迹的高分辨率成像，从而实现逐事件背景抑制，预计在 100 kg 示范装置运行一年后，对 82Se 无中微子双贝塔衰变的下限寿命达到 τ₁/₂ > 2×10²⁶ 年。

ABSTRACT

Imaging devices made from an ionization target layer of amorphous selenium (aSe) coupled to a silicon complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) active pixel array for charge readout are a promising technology for neutrino physics. The high spatial resolution in a solid-state target provides unparalleled rejection of backgrounds from natural radioactivity in the search for neutrinoless $ββ$ decay and for electron neutrino ($ν_e$) spectroscopy with $^{82}$Se. In this white paper, we summarize the broad scientific program of a large imaging detector with a 10-ton target of $^{82}$Se. We review the detector technology, and outline the ongoing research program to realize this experiment.

研究动机与目标

• 以前所未有的灵敏度探测 82Se 的无中微子双贝塔衰变，从而探究中微子的马约拉纳性质。
• 通过 82Se 对电子中微子（νₑ）的俘获反应，实现无背景的电子中微子（νₑ）能谱学研究，用于太阳中微子研究。
• 通过在固态 aSe 靶中采用高分辨率成像与 CMOS 读出技术，实现可扩展的、低本底探测。
• 在地下 100 kg 示范装置中验证 aSe/CMOS 技术，证明其在大规模实验中具备可扩展性与本底抑制能力。
• 通过 82Se 对 νₑ 的俘获反应，探索惰性中微子，拓展双贝塔衰变之外的物理研究范围。

提出的方法

• 利用 10 吨富集 82Se 的非晶态硒（aSe）靶，沉积于 CMOS 有源像素传感器（APS）上，实现电荷读出。
• 施加高电场，使电离电子在 aSe 层中漂移，被 CMOS 像素收集，形成离子径迹的高分辨率 2D 图像。
• 采用时空相关性分析识别放射性衰变序列（如 β 衰变链），实现本底抑制。
• 使用穿硅通孔（TSVs）将电源与信号路由至 CMOS 晶圆背面，减少干扰，支持大面积像素阵列。
• 采用导电框架与高压环结构，配合聚酰亚胺（Kapton）通孔，对 aSe 层施加高压，同时最小化电场畸变与污染。
• 在室温下运行，采用商用 CMOS 工艺与工业级 aSe 沉积技术，确保成本效益与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模 aSe/CMOS 探测器能否在 100 吨年暴露量下实现 82Se 无中微子双贝塔衰变的无背景探测？
• RQ2 Selena 探测器通过 82Se 对电子中微子的俘获反应，对太阳中微子通量的灵敏度如何？能否实现零本底能谱学？
• RQ3 通过衰变序列的时空相关性分析，对探测器中天然放射性本底的抑制程度如何？
• RQ4 利用高分辨率电荷成像，对 ββ 衰变与 νₑ 俘获事件的可实现能量分辨率与事例识别能力如何？
• RQ5 在 LSC 等地下站点运行的 100 kg 示范装置，能否验证 aSe/CMOS 技术在背景抑制与可扩展性方面的性能，为全尺寸 10 吨实验提供支持？

主要发现

• 预计 100 kg Selena 示范装置在运行一年后，可对 82Se 无中微子双贝塔衰变设定 τ₁/₂ > 2×10²⁶ 年（90% 置信水平）的下限。
• 由于有效的本底抑制，该示范装置预计在一年内可探测到约五个 pp（peV）级太阳中微子，且本底为零。
• aSe/CMOS 成像技术可实现逐事件的粒子类型识别（如电子、α 粒子）与衰变序列识别，依据径迹拓扑结构与布喇格峰定位。
• 本底估算基于现有 kg 级固态探测器（如 MAJORANA DEMONSTRATOR）的实验结果，表明当前技术可实现所需的放射纯度。
• 采用商用 CMOS 工艺与工业级 aSe 沉积技术（如 Hologic, Inc. 提供的工艺），支持 10 吨探测器的成本效益与可扩展性。
• 示范装置将提供大量双中微子 ββ 衰变事例，并可通过 γ 射线源进行标定，从而验证完整物理计划的可行性。