Conveners
04-4 - 无中微子双贝塔衰变实验
- Benda Xu (Tsinghua University)
04-4 - 无中微子双贝塔衰变实验
- Junting Huang (Shanghai Jiao Tong University)
Low background germanium detectors with excellent energy resolution are advantageous to search for Ge-76 neutrinoless double beta decay process. We proposed an experimental program, CDEX-300ν, using Ge-76 enriched broad energy germanium detectors at China Jinping Underground Laboratory (CJPL). In this talk, I will focus on the preconceptual design and plan of the CDEX-300ν. The preliminary R&D...
高纯富集锗-76单晶探测器具有极高能量分辨率和极低探测阈值，能够用于开展无中微子双贝塔衰变实验探测，在稀有事例探测等方面具有重要应用价值。二氧化锗-76是该探测器制备链中的关键材料，其化学纯度、晶格等产品参数能够影响探测器性能和稳定性。本文以富集四氟化锗-76（76GeF4）为原料，研究并建立了高纯二氧化锗-76（76GeO2）制备工艺路线，对若干关键工艺参数对制备工艺影响进行探究，确定关键制备工艺参数。在最优制备工艺条件下，76GeO2样品的化学纯度能够达到99.99%以上，制备工艺收率能够达到95%以上。以上研究结果为76GeO2样品公斤量级制备提供理论和实验依据，并为其他气相氟化物制备金属氧化物的工艺过程提供参考和借鉴。
位于中国锦屏地下实验室的PandaX-4T探测器使用约4吨自然氙作为探测靶核，利用二相型液氙时间投影室技术寻找稀有事例信号。在成功将能量重建从低能区(~10keV)扩展到高能区(~MeV)后，我们开始尝试在PandaX-4T的中高能区寻找更多物理来源的稀有事例。在本报告中我将介绍目前的工作进展以及预期结果。
稳定同位素应用在越来越广的领域，其中无中微子双β衰变是重要的应用领域之一。目前核工业理化工程研究院已掌握氙-136、锗-76、钼-100、硒-82的制备技术，并正在研发碲-130的制备技术。本文将主要集中在钼-100富集技术，以天然六氟化钼为原料，通过单机研制、级联设计、同位素富集、化工转化等技术突破，解决了丰度提升、规模化生产、腐蚀性损伤、纯度提升等关键难题，最终获得丰度纯度符合要求的氧化钼-100样品。
NνDEx(No Neutrino Double-beta-decay Experiment)是基于高压气体时间投影室（TPC）新型无雪崩放大电荷测量技术，寻找六氟化硒无中微子双贝塔衰变现象的实验。计划采用的Se-82核素的Q值为2.996 MeV，结合TPC的径迹重建能力、无雪崩放大读出的低能量分辨率特点，实验方案具备一定的优势，但在技术上的挑战也比较大。实验一期计划建设100公斤级的TPC。实验的铜屏蔽体、气腔均已完成加工，气路系统与气腔的组装正在进行，TPC场笼、外屏蔽方案正在设计中。在本底的估计、探测器模拟及径迹重建方面也取得了一些进展。电子学方面，核心的Topmetal-S芯片处于进一步的优化之中，读出电子学与数据获取系统的小型原型系统研究也取得了一些新的进展与测试结果。本报告将介绍该实验预研在最近一两年取得的进展及下一步的计划。
nEXO （next Enriched Xenon Observatory）是EXO-200的升级实验，其将在5吨的Xe-136同位素中寻找无中微子双贝塔衰变。为了尽可能排除放射性干扰，实验预期将置于加拿大安大略省萨德伯里地下两千多米的深度的SNOLAB实验室。低本底事例率、高能量分辨率是其两个核心的设计指标。中国科学院高能物理研究所（IHEP）参与了nEXO实验的国际合作，并且在许多方面深度地参与了nEXO实验的设计与研发，涵盖了多项探测器以及电子学核心技术，主要包括探测器仿真模拟、设计和优化、电荷读出系统的研发、光探测器系统的研发、硅光电倍增管基板的研发、冷电子学方案设计以及超低放射性本底控制的研究。并且，高能所按照nEXO的概念设计，制作了液氙miniTPC的小型探测器，并正在展开实验工作。本报告将结合nEXO整体设计理念，R&D进展以及高能所参与的实际工作对整个项目展开介绍。
The Cryogenic Underground Observatory for Rare Events (CUORE) is the first bolometric experiment searching for 0$\nu \beta \beta$ decay that has successfully reached the one-tonne mass scale. The detector, located at the LNGS in Italy, consists of an array of 988 $\mathrm{TeO}_{2}$ crystals arranged in a compact cylindrical structure of 19 towers. CUORE began its first physics data run in...
无中微子双贝塔（0νββ）是当前粒子物理与核物理领域的前沿，有望解决中微子质量、中微子是否为Majorana粒子等重要基本问题。该过程还打破了轻子数守恒，一旦发现0νββ，将是突破粒子物理标准模型的革命性成果。低温闪烁晶体量热器作为一项新探测技术，具有独特的光-热二维读出甄别粒子能力，结合量热器低噪声、高能量分辨的本征特性，将是0νββ探测极富潜力的探测技术。合作组提出了基于锦屏地下实验室开展我国自主研发的首台低温闪烁晶体量热器0νββ实验——CUPID-CJPL的计划，目前正处于样机研发阶段。本报告将介绍CUPID-CJPL实验并汇报合作组在晶体制备、探测器设计与测试和读出系统与电子学等方面的研究进展。
NνDEx实验将使用六氟化硒高压气体TPC进行Se-82的无中微子双贝塔衰变的寻找。其本底中太阳中微子带来的本底将随着其他本底的减少而变得重要。我们研究了太阳中微子与六氟化硒的反应产生的可能的本底及其在探测器中特征，分析了可以用于本底鉴别和去除的一些方法。本报告将介绍我们的研究结果（已发表在Chinese Phys. C 48 043003）.
对无中微子双贝塔过程的寻找，对我们认识中微子的马约拉纳属性，以及中微子绝对质量等问题有着关键的意义。锦屏低温晶体量热器无中微子双贝塔衰变实验，利用了光热双读出技术，来寻找这一稀有事件。本报告将主要介绍，位于复旦大学与中国科学技术大学的两套低温晶体量热器地面测试平台的运行状况、实验设置及流程等信息。并展示近期测试得到的能谱结果，以及对光热双读出技术的初步验证。
寻找无中微子双贝塔衰变（0υββ）事件是当前确定中微子是否是其自身的反粒子（马约拉纳或狄拉克中微子）的唯一可行实验方法。PandaX-III实验采用基于微网格气体探测器（Micromegas）读出的高气压氙TPC方案，将在中国锦屏地下实验室搜寻136Xe的0υββ稀有衰变。其中，研制具有高粒度、高能量分辨率、低放射性本底，以及长期稳定运行的Micromegas是实现这一科学观测的关键。
通过采用中科大研发的热压接Micromegas制作方法，开展原型Micromegas研制，先后进行了多个探测器版本迭代，逐一突破了极窄非灵敏区支撑边框、低放射性本底材料和高能量分辨等关键技术难点，攻克柔性基材、增益均匀性、高气压稳定性等多项挑战，最终实现了具有极限性能指标的Micromegas原型探测器的研制：在1bar的常压条件下，最高增益达到105，能量分辨优于13%（FWHM）的原理极限水平，...
在寻找无中微子双贝塔衰变($0\nu\beta\beta$)的实验中，大部分实验都在限定的RoI范围内使用计数法获取$0\nu\beta\beta$的半衰期灵敏度，也有诸如KamLAND-Zen等实验使用能谱拟合法来完成这一工作，而通过这两种方法获得的$0\nu\beta\beta$半衰期灵敏度存在差异。
本研究基于中国锦屏地下实验室（CJPL）内的本底条件，通过模拟确认了一差异的存在。模拟显示拟合法给出的半衰期灵敏度约为计数法的1.25倍，本研究讨论了这一差异可能的源头。这些结论可以为未来的$0\nu\beta\beta$实验选择数据分析方式提供选择依据。
氙-134是无中微子双贝塔衰变搜寻重要的候选核素，其前序物理过程氙-134双贝塔在实验上也尚未被实验发现。PandaX-4T是基于自然液氙探测器的深地暗物质和中微子实验，探测器的有效靶值量达到4吨量级，其中氙-134的丰度为10.4%。鉴于探测器低能量探测阈值、低氙-136双贝塔衰变简并本底、高氙-134有效核素质量等诸多优势，我们利用PandaX-4T 首批94.9天实验数据对氙-134双贝塔衰变和无中微子双贝塔衰变过程半衰期给出了当前最强的限制，下限分别是2.8e22年和3.0e23年（90%CL），较当前最好实验结果提升32倍和7倍。随着实验曝光量的增加，未来有望一举发现氙-134双贝塔衰变物理过程。
