核イベント検出技術の進展
科学者たちは地下のラボで二重ベータ崩壊を探すための新しい検出器をテストしている。
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レアな核イベントを探している科学者たちが、スペインの地下施設で新しい検出器をテストしてるんだ。これらの検出器は、ダブルベータ崩壊っていう特定のタイプの核崩壊を探すように設計されてるの。特別な結晶材料で作られた2種類のシンチレーションボロメータを使ってるよ。
シンチレーションボロメータって？
シンチレーションボロメータは、核粒子との相互作用で生成された光と熱を検出できる装置なんだ。特定の粒子が結晶に当たると、光と熱が生まれる。それをボロメータがキャッチして、研究者たちが相互作用のエネルギーを分析できるようにして、レアな核プロセスの理解に役立つデータを提供するんだ。
場所とセッティング
テストは、カンフランク地下研究所、別名CROSS施設で行われてる。このラボは、ノイズや振動を抑えるための新しい検出器サスペンションシステムが導入されてて、測定に干渉しないようにしてるんだ。この施設は、非常に低い温度に達する特別な冷却システムを使ってて、これらの敏感な検出器の運用には必要不可欠なんだ。
検出器に使われる結晶
この研究で使われている主な結晶は、カドミウムタングステート（CdWO4）とリチウムモリブデート（Li2MoO4）。CdWO4結晶は以前テストされてて、基準検出器として利用されてる。Li2MoO4結晶は、新しい世代の実験に向けた検出器技術を改善するプロジェクトで新たに開発されたんだ。
どちらの結晶も、ダブルベータ崩壊に関連する特定のエネルギーレベルを検出するのに有望な特性を持ってる。粒子がこれらの材料と相互作用する時、光を生成して、それが結晶に結合した光検出器にキャッチされるんだ。
冷却と性能の達成
研究者たちは、検出器を15 mKまで冷却することに成功したんだ。これは絶対零度に非常に近い温度だよ。この低温で、検出器はエネルギーの解像度がすごく良くて、特にCdWO4検出器は解像度6 keVを示してて、この材料で作られたサーマル検出器の中でベストの一つなんだ。
Li2MoO4検出器も、良好なエネルギー解像度を示してて、レアな核崩壊に焦点を当てた将来の実験に向けて強力な候補なんだ。
ノイズ削減戦略
アップグレードされた施設ではノイズ条件がかなり改善されたんだ。研究者たちは、新しいサスペンションシステムが冷却設備による振動をうまく抑えたことを発見したけど、依然として高周波のノイズが検出されて、配線や設計にさらなる改善の余地があることがわかったんだ。
放射性純度の重要性
放射性純度は、検出器に使われる材料の放射性汚染レベルを指すんだ。高い放射性純度は、背景ノイズがレアイベントの信号を隠さないようにするために重要なんだ。このプロジェクトで使われたLi2MoO4結晶は、ポロニウム-210やラジウム-226といった放射性元素の微量しか含んでなくて、実験に干渉するレベルを下回ってるんだ。
粒子識別能力
両方のシンチレーションボロメータは、粒子識別能力が強いんだ。CdWO4検出器は、高いシンチレーション効率のおかげで、異なるタイプの粒子をうまく区別できるんだ。反対に、Li2MoO4検出器はシンチレーション効率が低いけど、それでも粒子識別には十分な性能を示してるよ。
特定の信号増幅技術であるネガノフ・トロフィモフ・ルーク効果を適用することで、研究者たちは両方のボロメータに接続された光検出器の性能を向上させたんだ。この増幅により、感度が向上して粒子検出がより良くなったんだ。
ダブルベータ崩壊の概要
ダブルベータ崩壊は、核が1つの電子ではなく2つの電子を放出するレアな核プロセスなんだ。これは特定の同位体で起こって、基本的な物理を理解する上で重要な領域なんだ、特にニュートリノに関連してる。ダブルベータ崩壊の探索は、この実験の主要な動機の一つで、これを発見することは粒子物理の理解に大きな影響を与えるんだ。
今後の展望
進行中の研究は、これらの検出器に使われる技術をさらに改善することを目指してるんだ。この研究で達成された進展は、ダブルベータ崩壊や他のレアな核プロセスに焦点を当てた将来の実験の基盤を築いてるんだ。今後の主な目標は、検出器の感度を向上させたり、放射性純度をさらに高めたり、ノイズ干渉を最小限に抑えるための全体的な設計を改善することなんだ。
これらの技術が進化することで、科学者たちは自然の基本的な力や素粒子の振る舞いについてもっと学ぶことができて、宇宙全体の理解に貢献するんだ。
結論
要するに、CROSS施設で行われた研究は、レアな核イベントを検出するための重要な一歩を示してるんだ。CdWO4やLi2MoO4結晶から作られた進化したシンチレーションボロメータの使用は、ダブルベータ崩壊や粒子物理の他の重要な領域の将来の調査に向けたこれらの技術の可能性を示してる。性能、放射性純度、ノイズ削減の継続的な改善は、宇宙の謎を探求する次世代の実験の成功にとって重要なんだ。
タイトル: Test of $^{116}$CdWO$_4$ and Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometers in the CROSS underground facility with upgraded detector suspension
概要: In preparation to the CROSS $2\beta$ decay experiment, we installed a new detector suspension with magnetic dumping inside a pulse-tube cryostat of a dedicated low-background facility at the LSC (Spain). The suspension was tested with two scintillating bolometers based on large-volume 116CdWO4 (CWO-enr) and Li2MoO4 (LMO) crystals. The former, a reference device, was used for testing new noise conditions and for comparing bolometric performance of an advanced Li2MoO4 crystal developed in the framework of the CLYMENE project, in view of next-generation double-beta decay experiments like CUPID. We cooled down detectors to 15 mK and achieved high performance for all tested devices. In particular both CWO-enr and LMO bolometers demonstrated the energy resolution of 6 keV FWHM for the 2.6 MeV gamma quanta, among the best for thermal detectors based on such compounds. The baseline noise resolution (FWHM) of the CWO-enr detector was improved by 2 keV, compared to the best previous measurement of this detector in the CROSS facility, while the noise of the Ge-based optical bolometer was improved by a factor 2, to 100 eV FWHM. Despite of the evident progress in the improving of noise conditions of the set-up, we see high-frequency harmonics of a pulse-tube induced noise, suggesting a noise pick-up by cabling. Another Ge light detector was assisted with the signal amplification exploiting the Neganov-Trofimov-Luke effect, which allowed to reach 20 eV FWHM noise resolution by applying 60 V electrode bias. Highly-efficient particle identification was achieved with both detectors, despite a low scintillation efficiency of the LMO material. The radiopurity level of the LMO crystal is rather high; only traces of 210Po and 226Ra were detected (0.1 mBq/kg each), while the 228Th activity is expected to be at least an order of magnitude lower, as well as a 40K activity is found to be < 6 mBq/kg.
著者: A. Ahmine, I. C. Bandac, A. S. Barabash, V. Berest, L. Bergé, J. M. Calvo-Mozota, P. Carniti, M. Chapellier, I. Dafinei, F. A. Danevich, T. Dixon, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Giuliani, C. Gotti, P. Gras, D. L. Helis, A. Ianni, L. Imbert, H. Khalife, V. V. Kobychev, S. I. Konovalov, P. Loaiza, P. de Marcillac, S. Marnieros, C. A. Marrache-Kikuchi, M. Martinez, C. Nones, E. Olivieri, A. Ortiz de Solórzano, Y. Peinaud, G. Pessina, D. V. Poda, Th. Redon, Ph. Rosier, J. A. Scarpaci, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, M. Velazquez, M. M. Zarytskyy, A. Zolotarova
最終更新: 2023-07-27 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2307.14831
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2307.14831
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた arxiv に感謝します。
参照リンク
- https://jinst.sissa.it/jinst/help/JINST/TeXclass/jinst-author-manual.pdf
- https://a2c.ijclab.in2p3.fr/en/a2c-home-en/assd-home-en/assd-cross/
- https://dx.doi.org/10.1007/b137878
- https://dx.doi.org/10.1007/b12169
- https://arxiv.org/abs/2202.01787
- https://arxiv.org/abs/2212.11099
- https://arxiv.org/abs/1504.03599
- https://arxiv.org/abs/1907.09376
- https://arxiv.org/abs/1512.05957
- https://indico.fnal.gov/event/19348/contributions/186492/
- https://arxiv.org/abs/2304.13100
- https://indico.fnal.gov/event/19348/contributions/186315/
- https://cryoconcept.com/product/the-ultra-quiet-technology/
- https://arxiv.org/abs/2304.04611
- https://arxiv.org/abs/2302.13944
- https://indico.fnal.gov/event/19348/contributions/186385/