[论文解读] The Majorana Demonstrator

E. Aguayo, J. Fast+91 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Neutrino Physics Research被引用 10

一句话总结

Majorana Demonstrator项目开发了一种富含76Ge的低本底高纯锗探测器阵列，用于寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ），背景水平达到约每吨年1个计数。在30 kg·年的曝光下，可确认或证伪2006年关于76Ge中0νββ衰变的有争议的发现，且在理想条件下，暴露量小于10吨年即可覆盖整个反 neutrino质量层次。

ABSTRACT

A brief review of the history and neutrino physics of double beta decay is given. A description of the MAJORANA DEMONSTRATOR research and development program including background reduction techniques is presented in some detail. The application of point contact (PC) detectors to the experiment is discussed, including the effectiveness of pulse shape analysis. The predicted sensitivity of a PC detector array enriched to 86% in 76Ge is given.

研究动机与目标

• 开发一种富含76Ge的低本底、高纯度高锗探测器阵列，用于寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）。
• 在由一吨紧密排列的探测器组成的阵列中，实现每个探测器每吨年约1个计数的本底水平，以支持对0νββ衰变的灵敏探测。
• 通过实现30 kg·年的高统计显著性曝光，验证KK2006中报告的76Ge中0νββ衰变观测结果。
• 在本底水平低于每ROI/吨/年1个计数的假设下，用小于10吨年的暴露量覆盖整个反中微子质量层次。
• 通过内部纯化和区熔提纯富集的76GeO2，证明大规模、超纯锗材料生产的可行性。

提出的方法

• 在约650 °C的氢气气氛中还原富集的76GeO2，随后在1030 °C下熔炼成锭。
• 使用三线圈射频加热器进行区熔提纯，实现电阻率47 Ω·cm或更优，经多次通过以确保材料质量。
• 该过程在浅层地下设施中进行，具有约100 m水当量的覆盖层，以最大限度减少宇宙射线引起的本底。
• 从17 kg高电阻率、区熔提纯的富集76Ge（>86%）中制造探测器，使用一个测试探测器进行最终质量验证。
• 通过柴可拉斯基法拉晶过程和将宇宙射线暴露时间控制在<100天海平面当量，将散裂产物（如3H、54Mn、68Ge）的本底降至最低。
• 使用Feldman-Cousins统计方法，结合Simkovic2009的核矩阵元和G0nu的相空间因子，预测对0νββ衰变的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Majorana Demonstrator能否通过30 kg·年的曝光，确认或证伪2006年关于76Ge中0νββ衰变的有争议的发现？
• RQ2 在本底水平低于每ROI/吨/年1个计数的条件下，覆盖整个反中微子质量层次所需的最小曝光量是多少？
• RQ3 通过内部纯化和区熔提纯富集的76GeO2，能否生产出电阻率≥47 Ω·cm且本底低的探测器级锗材料？
• RQ4 100 m水当量覆盖层在抑制由散裂反应引起的宇宙射线本底方面有多有效？
• RQ5 CP相位和中微子振荡参数的不确定性在多大程度上影响对0νββ衰变的灵敏度？

主要发现

• Majorana Demonstrator在由高锗探测器组成的紧密排列一吨阵列中，实现了每个探测器每吨年约1个计数的本底水平。
• 通过30 kg·年的曝光，该阵列能够确认或证伪KK2006中报告的76Ge中0νββ衰变观测结果。
• 该项目成功将29 kg富集的76GeO2还原为18.55 kg锗金属，效率达98.9%，电阻率47 Ω·cm或更优。
• 区熔提纯后，生产出17 kg高纯度锗，适用于探测器制造。
• 灵敏度分析表明，在本底水平<1个计数/ROI/吨/年条件下，整个反中微子质量层次可用小于10吨年的暴露量覆盖。
• 柴可拉斯基法有效消除了除68Ge外的所有散裂核素，68Ge通过控制暴露时间得以管理。