The CUPID-Mo experiment for neutrinoless double-beta decay: performance and prospects
Аннотация
Abstract CUPID-Mo is a bolometric experiment to search for neutrinoless double-beta decay ( $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> ) of $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . In this article, we detail the CUPID-Mo detector concept, assembly and installation in the Modane underground laboratory, providing results from the first datasets. The CUPID-Mo detector consists of an array of 20 $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> -enriched 0.2 kg $$\hbox {Li}_2\hbox {MoO}_4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Li</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals operated as scintillating bolometers at $$\sim 20\hbox { mK}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>mK</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . The $$\hbox {Li}_2\hbox {MoO}_4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Li</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals are complemented by 20 thin Ge optical bolometers to reject $$\alpha $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math> events by the simultaneous detection of heat and scintillation light. We observe a good detector uniformity and an excellent energy resolution of 5.3 keV (6.5 keV) FWHM at 2615 keV, in calibration (physics) data. Light collection ensures the rejection of $$\alpha $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math> particles at a level much higher than 99.9% – with equally high acceptance for $$\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math> / $$\beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math> events – in the region of interest for $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> . We present limits on the crystals’ radiopurity: $$\le 3~\mu \hbox {Bq/kg}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mspace/><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mtext>Bq/kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> of $$^{226}\hbox {Ra}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>226</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Ra</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> and $$\le 2~\mu \hbox {Bq/kg}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mspace/><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mtext>Bq/kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> of $$^{232}\hbox {Th}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>232</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . We discuss the science reach of CUPID-Mo, which can set the most stringent half-life limit on the $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> decay in half-a-year’s livetime. The achieved results show that CUPID-Mo is a successful demonstrator of the technology developed by the LUMINEU project and subsequently selected for the CUPID experiment, a proposed follow-up of CUORE, the currently running first tonne-scale bolometric $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> experiment.
Перевод пока недоступен