[论文解读] Technical Design Report for the AMoRE $0νββ$ Decay Search Experiment

Alenkov, P. Aryal+88 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 72被引用 26

一句话总结

AMoRE 实验提出了一项高灵敏度的中微子无双贝塔衰变搜索，利用超纯、$^{48}$Ca 含量降低的 $^{100}$Mo 掺杂 CaMoO$_4$ 晶体，在毫开尔文温度下运行，探测 $^{100}$Mo 的中微子无双贝塔衰变。该实验采用金属磁 calorimeter（MMCs）同步探测声子和闪烁光信号，实现优异的能量分辨率和脉冲波形分辨能力，有效抑制本底，预计在三年内使用 200 kg 探测器阵列，对有效马约拉纳中微子质量的探测灵敏度可达 20–50 meV。

ABSTRACT

The AMoRE (Advanced Mo-based Rare process Experiment) project is a series of experiments that use advanced cryogenic techniques to search for the neutrinoless double-beta decay of \mohundred. The work is being carried out by an international collaboration of researchers from eight countries. These searches involve high precision measurements of radiation-induced temperature changes and scintillation light produced in ultra-pure \Mo[100]-enriched and \Ca[48]-depleted calcium molybdate ($\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$) crystals that are located in a deep underground laboratory in Korea. The \mohundred nuclide was chosen for this \zeronubb decay search because of its high $Q$-value and favorable nuclear matrix element. Tests have demonstrated that \camo crystals produce the brightest scintillation light among all of the molybdate crystals, both at room and at cryogenic temperatures. $\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$ crystals are being operated at milli-Kelvin temperatures and read out via specially developed metallic-magnetic-calorimeter (MMC) temperature sensors that have excellent energy resolution and relatively fast response times. The excellent energy resolution provides good discrimination of signal from backgrounds, and the fast response time is important for minimizing the irreducible background caused by random coincidence of two-neutrino double-beta decay events of \mohundred nuclei. Comparisons of the scintillating-light and phonon yields and pulse shape discrimination of the phonon signals will be used to provide redundant rejection of alpha-ray-induced backgrounds. An effective Majorana neutrino mass sensitivity that reaches the expected range of the inverted neutrino mass hierarchy, i.e., 20-50 meV, could be achieved with a 200~kg array of $\mathrm{^{48depl}Ca^{100}MoO_4}$ crystals operating for three years.

研究动机与目标

• 搜索 $^{100}$Mo 的中微子无双贝塔衰变，这是探测中微子马约拉纳性质和绝对中微子质量尺度的关键手段。
• 通过先进的低温探测技术和材料纯化，将有效马约拉纳中微子质量的灵敏度降至亚 eV 水平，最大限度减少本底。
• 开发并部署一种高纯度、低本底的探测系统，采用 $^{48}$Ca 含量降低、$^{100}$Mo 富集的 CaMoO$_4$ 晶体，置于深地下的实验室中。
• 建立可扩展的多阶段实验计划（AMoRE-Pilot、AMoRE-I、AMoRE-II），逐步提升探测质量与灵敏度。

提出的方法

• 使用超纯生长的 $^{48}$Ca 含量降低、$^{100}$Mo 富集的 CaMoO$_4$ 晶体，以最大限度减少放射性杂质。
• 利用稀释制冷机将晶体在毫开尔文温度下运行，以降低热噪声并提高能量分辨率。
• 通过金属磁 calorimeter（MMCs）同步读出声子信号，同时利用低温光子传感器探测闪烁光信号。
• 实施声子与光信号之间的脉冲波形分辨（PSD），以有效排斥 $\alpha$ 衰变和本底事件。
• 应用闪烁光与声子信号之间的符合技术，以抑制随机发生的两中微子双贝塔衰变事件。
• 利用详细的蒙特卡洛模拟和本底估算工具，建模宇宙射线、材料及内部本底的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 200 kg 的 $^{48}$Ca 含量降低、$^{100}$Mo 富集的 CaMoO$_4$ 晶体阵列是否能在三年运行中实现对有效马约拉纳中微子质量 20–50 meV 的探测灵敏度？
• RQ2 声子与闪烁光信号之间的脉冲波形分辨是否能有效抑制 $\alpha$ 衰变和随机符合事件引起的本底？
• RQ3 通过深度纯化原始材料及晶体生长技术，CaMoO$_4$ 晶体可达到何种水平的放射纯度？
• RQ4 在深地探测器构型中，宇宙μ子及其诱导的中子如何被有效屏蔽和排斥？
• RQ5 在大规模 $0\nu\beta\beta$ 实验中，何种探测器设计与屏蔽策略可最大限度减少不可消除的本底？

主要发现

• 在室温和低温下，$^{48}$Ca 含量降低、$^{100}$Mo 富集的 CaMoO$_4$ 晶体系统在所有钼酸盐晶体中展现出最高的闪烁光产额。
• 金属磁 calorimeter（MMCs）实现了优异的能量分辨率和快速响应时间，能够有效进行本底鉴别，并抑制随机符合本底。
• 声子与闪烁光信号之间的脉冲波形分辨提供了对 $\alpha$ 衰变诱导本底的冗余排斥能力。
• AMoRE-II 阶段的 200 kg 探测器阵列预计在三年运行后，对有效马约拉纳中微子质量的探测灵敏度可达 20–50 meV。
• 本底估算模拟表明，通过深度纯化 CaCO$_3$ 和 MoO$_3$ 前驱体，可将 $^{232}$Th 和 $^{226}$Ra 等内部杂质降至可接受水平。
• 离线数据处理框架设计用于一致地处理真实与模拟数据，结合脉冲波形建模，可准确确定效率与本底率。