[论文解读] Toward CUPID-1T

A. Armatol, C. Augier+173 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2022

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

CUPID-1T 提出了一项下一代1吨级低温量热计实验，旨在搜寻无中微子双贝塔衰变（0νββ），实现对10²⁷–10²⁸年量级半衰期的灵敏度，以及低于15 meV的有效马约拉纳中微子质量。通过利用先进的本底抑制技术、低温读出系统和放射性纯度高的材料，该实验旨在探测整个反序中微子质量顺序区域，并进入正常质量顺序区域，同时在量子信息科学领域实现更广泛的应用。

ABSTRACT

Current experiments to search for broken lepton-number symmetry through the observation of neutrinoless double-beta decay ($0\mathrm{νββ}$) provide the most stringent limits on the Majorana nature of neutrinos and the effective Majorana neutrino mass ($m_{ββ}$). The next-generation experiments will focus on the sensitivity to the $0\mathrm{νββ}$ half-life of $\mathcal{O}(10^{27}$--$10^{28}$~years$)$ and $m_{ββ}\lesssim15$~meV, which would provide complete coverage of the so-called Inverted Ordering region of the neutrino mass parameter space. By taking advantage of recent technological breakthroughs, new, future calorimetric experiments at the 1-ton scale can increase the sensitivity by at least another order of magnitude, exploring the large fraction of the parameter space that corresponds to the Normal neutrino mass ordering. In case of a discovery, such experiments could provide important insights toward a new understanding of the mechanism of $0\mathrm{νββ}$. We present here a series of projects underway that will provide advancements in background reduction, cryogenic readout, and physics searches beyond $0\mathrm{νββ}$, all moving toward the next-to-next generation CUPID-1T detector.

研究动机与目标

• 实现对无中微子双贝塔衰变半衰期10²⁷–10²⁸年的灵敏度，覆盖整个反序中微子质量顺序区域。
• 将灵敏度延伸至正常中微子质量顺序区域，探测有效马约拉纳中微子质量低于15 meV。
• 通过先进的放射性纯度技术、超低本底材料和深地实验室运行，降低本底。
• 开发可扩展的低温读出系统，用于大规模宏观量热计阵列，实现高能量分辨率。
• 通过为超导量子比特提供超低温、超高纯环境，推动下一代超导量子处理器的发展，实现跨领域应用。

提出的方法

• 利用在毫开尔文温度下运行的高纯度晶体量热计（量热计）探测0νββ衰变产生的稀有能量沉积。
• 采用多路复用读出技术，对高热容的锗或碲基晶体阵列进行读出，以实现高曝光量和高能量分辨率。
• 应用先进的本底抑制技术，包括波形分析、放射性纯材料和主动 veto 系统。
• 利用深地实验室（如格兰萨索实验室）最大限度减少宇宙射线和天然放射性本底。
• 整合多种同素体（如⁸²Se、¹⁰⁰Mo、¹³⁰Te）的数据，以增强灵敏度并减少核矩阵元的不确定性。
• 利用蒙特卡洛模拟，结合多种理论模型的相空间因子和核矩阵元，预测实验灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 1吨级量热计实验能否实现对0νββ衰变半衰期10²⁸年和有效马约拉纳中微子质量低于15 meV的灵敏度？
• RQ2 在保持超低本底的前提下，扩大低温量热计阵列规模所面临的关键技术与材料挑战是什么？
• RQ3 如何优化本底抑制技术，以实现在正常中微子质量顺序区域发现0νββ衰变？
• RQ4 CUPID-1T的超低温、超高纯环境在多大程度上可支持下一代超导量子处理器的运行？
• RQ5 粒子物理中稀有事例搜寻与量子信息系统的开发之间存在哪些协同效应？

主要发现

• 预计CUPID-1T在10年运行时间内可实现对0νββ衰变半衰期10²⁸年的灵敏度，延伸至正常中微子质量顺序区域。
• 该实验将探测有效马约拉纳中微子质量低于15 meV，即使在保守的核矩阵元估计下，也能覆盖整个反序中微子质量顺序区域。
• 高纯度晶体生长技术的最新进展使得可扩展、高曝光量的实验成为可能，同时提升了能量分辨率并降低了本征本底。
• 本底抑制技术（包括波形分辨和放射性纯材料）有望将不可消除的本底降至与1吨级实验灵敏度相容的水平。
• CUPID-1T的超低温、超高纯环境被证明有利于量子信息系统，实验证据表明，环境放射性降低可提高量子比特相干性并减少关联错误。
• CUPID-1T预计将于2020年代末开始建设，2030年代初投入调试，目前在低温读出、多路复用和本底抑制方面正在进行积极的研发。