[论文解读] The SuperNEMO Experiment

R. B. Pahlka|ArXiv.org|Oct 17, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用 4

一句话总结

SuperNEMO实验提出了一种采用100–200公斤富集的⁸²Se或¹⁵⁰Nd同素体的下一代双贝塔衰变搜索，使用模块化追踪-量能器探测器。通过结合高分辨率追踪与量能测量，以及超低本底材料，其目标是实现对无中微子双贝塔衰变的半衰期敏感度达到10^26年，从而探测中微子质量简并层次，最低可达50 meV。

ABSTRACT

The observation of neutrino oscillations has proven that neutrinos have mass. This is direct evidence of physics beyond the Standard Model. This discovery has renewed interest in neutrinoless double beta decay ($0νββ$) experiments which provide the only practical way to determine whether neutrinos are Majorana or Dirac particles. Such experiments also have the potential to determine the absolute scale of the neutrino mass and help resolve the neutrino mass hierarchy question. The NEMO-3 (Neutrino Ettore Majorana Observatory) is currently one of the most sensitive searches for neutrinoless double beta decay. The main goal of SuperNEMO is to extend the sensitivity of the NEMO-3 search for neutrinoless double beta decay (and to measure two-neutrino double beta $2νββ$ decay). The two isotopes under consideration for SuperNEMO are $^{82}$Se and $^{150}$Nd. The target sensitivity is a $0νββ$ decay half-life at the level of $10^{26}$ years which will explore the degenerate neutrino mass hierarchy down to 50 meV.

研究动机与目标

• 寻找无中微子双贝塔衰变（0νββ）作为探测中微子马约拉纳性质的手段。
• 通过实现对有效马约拉纳质量⟨mββ⟩低于50 meV的敏感度，确定绝对中微子质量尺度。
• 通过扩展当前实验的探测范围，解决中微子质量层次问题，特别是简并情况。
• 通过使用放射纯材料和本底抑制技术，实现超低本底水平。
• 开发一种模块化、可扩展的探测器设计，支持分阶段部署和长期运行。

提出的方法

• 采用模块化设计，包含约20个相同的探测器模块，每个模块包含5–7公斤富集的⁸²Se或¹⁵⁰Nd源同素体，置于薄箔中。
• 使用充气丝漂移室（盖革模式），具有9层2000多个单元，用于重建电子轨迹和顶点。
• 使用分段式塑料闪烁体量能器，约1000个探测块由低本底光电倍增管（PMTs）读出，用于能量测量。
• 应用磁场以区分电子与正电子，提高粒子识别能力。
• 采用BiPo探测系统测量源箔中本底污染（²⁰⁸Tl和²¹⁴Bi），灵敏度达每公斤低于1微贝克勒尔。
• 应用运动学公式[T₁/₂⁰ν]⁻¹ = G⁰ν |M₀ν|² ⟨mββ⟩²，将观测到的半衰期敏感度与有效马约拉纳质量关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 SuperNEMO实验能否实现对无中微子双贝塔衰变半衰期10^26年的敏感度？
• RQ2 在设计和本底控制条件下，SuperNEMO可探测的最小有效马约拉纳中微子质量是多少？
• RQ3 在大规模双贝塔衰变实验中，如何通过使用放射纯材料和本底抑制技术实现超低本底水平？
• RQ4 源同素体、追踪系统和量能系统之间何种组合可最大化信号与本底比？
• RQ5 SuperNEMO的模块化设计能否支持分阶段部署和未来升级的可扩展性？

主要发现

• SuperNEMO探测器设计可实现对无中微子双贝塔衰变半衰期的敏感度为(1–2) × 10^26年。
• 能量分辨率目标为在Qββ能量处达到4% FWHM，显著优于NEMO-3的8%分辨率。
• 原型测试中，追踪系统实现了接近100%的等离子体传播效率，验证了盖革模式丝漂移室设计的可行性。
• BiPo1原型在90%置信水平下测得²⁰⁸Tl污染的上限为7.5 μBq/kg。
• BiPo2原型采用大尺寸薄型闪烁体片，已在莫尔丹地下实验室投入运行，用于表面和体本底污染测量。
• 合作组已成功富集4公斤⁸²Se，并正在研究通过原子蒸气激光同素体分离法大规模富集¹⁵⁰Nd。