CERES: A Cryogenic Experiment to Reconstruct Energy Systematics in TeO$_{2}$ bolometers
University of California, Berkeley(加州大学伯克利分校);Lawrence Berkeley National Laboratory(劳伦斯伯克利国家实验室)
本文介绍了CERES实验,旨在通过直接测量TeO₂晶体中 calorimetric 响应的位置依赖性,以重构能量系统学,从而提高低温 calorimetric 检测器在寻找稀有事件如0νββ衰变中的性能。
2026-05-21 nucl-ex physics.ins-det
Enriched TeO$_2$ bolometers with active particle discrimination: towards the CUPID experiment
我们提出了两个92%的富集$^{130}$ TeO $_2$晶体的性能作为热辐射热计在下一代实验中寻找无中微子双β衰变的$^{130}$ Te。每个435 g的晶体显示出在$^{208}$ T1的2615 keV $γ$线处评估的6.5和4.3 keV FWHM的能量分辨率。唯一可观察到的内部放射性污染来自$^{238}$ U(分别为15和8 $μ$ Bq/kg)。对于无中微子双β衰变,最有问题的核$^{226}$ Ra和$^{228}$ Th的内部放射性都被评估为$<$ 3.1 $μ$ Bq/kg(一个晶体)和$<$ 2.3 $μ$ Bq/kg(第二个晶体)。由于通过Neganov-Luke测辐射热光探测器读出了$β/γ$粒子发射的弱切伦科夫光,我们能够以95%的接受水平对$β/γ$事件进行逐个事件识别,同时建立了98.21%和99.99%的拒绝因子$α$粒子。
2016-10-10 nucl-ex physics.ins-det
Measurements of the Cerenkov light emitted by a TeO2 crystal
辐射热测量计由于其优异的能量分辨率和极低的本征背景,已被证明是寻找稀有过程的良好仪器。在这类探测器中,区分α粒子和电子的能力代表了本底降低的一个重要方面。获得这种区分的一种可能性是通过检测切伦科夫光来提供的,在天然放射性的低能量下,切伦科夫光仅由电子发射。本文报道了TeO_2晶体在室温下被宇宙线横穿时所发射的光的分析结果。光被迅速发射后的粒子交叉和明确的证据,其方向性也found.These结果代表一个强有力的迹象表明,切伦科夫光是主要的,如果不是唯一的,在TeO2晶体的光信号的组成部分。它们为基于这种材料的实验性能的大幅度改进提供了可能性
2012-12-12 hep-ex physics.ins-det
Optimizing the energy threshold of light detectors coupled to luminescent bolometers
辐射热计已被证明是寻找无中微子双β衰变的良好探测器。通过在低温下工作,它们具有出色的能量分辨率和低背景。探测辐射热计中粒子相互作用时可能发射的光是一种很有前途的降低实验背景的方法。在β/γ和α相互作用中发射的不同光量,无论是由于闪烁还是切伦科夫发射,都允许区分两种相互作用类型。由于低温环境,光探测器通常是测辐射热计。在这项工作中,我们提出了一种软件算法,以降低能量阈值的辐射热光探测器耦合到发光辐射热计。从Ge光探测器耦合到ZnMoO 4和TeO 2测辐射热计的数据的应用表明,能量阈值可以大大降低,当发射的光的量很小时,增加了辨别力。
2011-07-28 hep-ex physics.data-an physics.ins-det
Measurements and optimization of the light yield of a TeO$_2$ crystal
辐射热测量计由于其优异的能量分辨率和极低的本征背景,已被证明是寻找稀有过程的良好仪器。在这类探测器中,区分α粒子和电子的能力代表了本底降低的一个重要方面。获得这种区分的一种可能性是通过检测切伦科夫光来提供的,在天然放射性的低能量下,切伦科夫光仅由电子发射。本文介绍了开发的方法来评估由TeO $_2$晶体产生的光的量时,由511 keV的光子击中。显示和比较的晶体和读出系统的详细模拟的实验测量和结果。测量到每沉积MeV约52个切伦科夫光子的光产额。还介绍了用PTFE层包裹晶体的效果,其目的是最大化光收集。
2014-09-12 hep-ex physics.ins-det
Development of large-volume $^{130}$TeO$_2$ bolometers for the CROSS $2β$ decay search experiment
University of South Carolina(南卡罗来纳大学);National Research Center Kurchatov Institute(库尔恰托夫国家研究中心);Institute for Nuclear Research of NASU(乌克兰国家科学院核物理研究所);INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso(意大利国家核物理研究所格兰萨索国家实验室)
开发大体积$^{130}$TeO$_2$热探测器用于CROSS双β衰变实验,通过纯化工艺提升纯度并验证性能。
2024-07-24 nucl-ex physics.ins-det
Composite macro-bolometers for the rejection of surface radioactive background in rare-event experiments
寻找罕见事件的实验,如无中微子双β衰变和暗物质候选者的相互作用,需要极低水平的背景。当这些实验使用宏测辐射热计进行时,表面附近的放射性污染特别令人担忧。为了控制表面污染的影响,我们开发了一种新的技术,该技术使用复合宏测辐射热计,以确定发生的能量沉积靠近材料的表面,直接围绕探测器。复合宏测辐射热计建议和研究在这里包括一个主要的能量吸收器,是热耦合到和完全包围薄吸收器,作为主动屏蔽。表面能沉积可以通过分析主吸收体和屏蔽中的同步信号来排除。在本文中,我们描述了一个完整的热模型和实验结果的三个原型探测器。该探测器由Ge、Si或TeO2薄吸收体作为有源屏蔽组成,所有这些吸收体都以TeO2晶体作为主吸收体。在所有情况下,表面事件拒绝能力清楚地证明。此外,模拟和初步结果表明,它是可能的,以检测能量沉积发生在屏蔽没有单独的读出通道。通过脉冲形状鉴别,屏蔽层中的能量沉积与主吸收体中的能量沉积相区别。这种简化使得这种技术成为一种可行的方法,用于在下一代测热双β衰变搜索中拒绝表面能沉积,例如CUORE实验的可能扩展或升级。
2011-03-09 nucl-ex physics.ins-det
Model for the Cherenkov light emission of TeO$_{2}$ cryogenic calorimeters
能够探测中微子的马约拉纳性质并发现轻子数破坏的最灵敏的过程是无中微子双β衰变。由于具有出色的能量分辨率、效率和固有的放射性纯度,低温量热仪是研究这一过程的首选。一种能够提高当前实验灵敏度的新方法是拒绝代表主要背景源的$α$相互作用。在TeO $_2$量热计中,$α$粒子可以被标记,因为与电子相反,它们不发射切伦科夫光。然而,检测到的非常少量的切伦科夫光破坏了对$α$背景的完全抑制。在本文中,我们比较了在以前的测量TeO $_2$光产额与一个详细的蒙特卡罗模拟能够再现的数量的切伦科夫光子产生的$β/γ$相互作用的热量计和它们的传播在实验装置中。我们证明,从$5\times5\times5$ ~cm $^{3}$ TeO $_2$测辐射热计检测的光输出可以增加高达60%,通过增加晶体的表面粗糙度和改进光探测器的设计。此外,我们研究了解开$α$,$β$和$γ$相互作用的可能性,这代表了最终的背景源。不幸的是,$γ$抑制是不可行的,但是$α$抑制可以利用高灵敏度光检测器来实现。
2017-03-13 nucl-ex physics.ins-det
Cryogenic light detectors with enhanced performance for rare events physics
我们已经开发并测试了一种将测辐射热光探测器耦合到晶体测辐射热计的新方法,该方法基于将光探测器简单地放置在晶体表面上,仅通过重力保持在适当位置。这种简单的安装导致三个重要的改进:(1)它减少了组装检测器所需的非活性材料的量,(2)它通过最小化由安装结构引起的光损失而大大增加了光收集效率,以及(3)由于与热浴的极弱的热链接,它增强了光检测器中引起的热信号。我们测试了这种新技术与16厘米$^2$锗光探测器与热敏电阻读数坐在一个大的TeO $_2$测辐射热计的表面。与以前测试的替代安装相比,光收集效率提高了50%以上。我们在光探测器上获得了20 eV RMS的基线能量分辨率,连同增加的光收集,使我们能够获得用大量TeO $_2$晶体获得的最佳$α$与$β/γ$区分。同时,我们实现了上升和衰减时间分别为0.8和1.6毫秒。这种卓越的性能满足CUPID(CUORE升级粒子识别)实验的所有要求,这是一个1吨重的CUORE后续测辐射热计。
2019-04-29 nucl-ex physics.ins-det
The Coldest Cubic Meter in the Known Universe
CUORE是一个741公斤的TeO2测辐射热计阵列,将搜索130 Te的无中微子双β衰变。该探测器正在意大利Gran Sasso的Nazionali建造,将于2015年开始收集数据。CUORE低温恒温器将把数公吨的材料冷却到1 K以下,CUORE探测器本身将在10 mK的典型温度下工作。在这个温度下,CUORE探测器将是已知宇宙中最冷的连续立方米。
2014-10-14 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
New results about the revolutionary bolometer assembly of BINGO
寻找无中微子双β衰变(0 $ν$ 2 $β$)是现代物理学的主要实验挑战之一。一种实验技术是由低温探测器命名的辐射热计,这是真正有前途的这一目的。目前使用该技术的吨级实验CUORE对$^{130}$ Te 0 $ν$ 2 $β$与TeO $_2$晶体的半衰期施加了最佳限制,但其灵敏度受到其背景的限制。因此,接下来将进行下一代实验CUPID(带粒子识别的CUORE升级),研究嵌入Li $_2$ MoO $_4$晶体中的$^{100}$ Mo,以降低$γ$背景。它还将读取Li $_2$ MoO $_4$产生的闪烁光,方法是在主吸收体旁边添加另一个Ge测辐射热计作为光探测器,以排除$α$背景。由于这一点,CUPID将达到比CUORE高2个数量级的灵敏度。然而,在这不足以检测0 $ν$ 2 $β$的情况下,BINGO(Bi-同位素下一代0 $ν$ 2 $β$天文台)正在准备下一代测热实验。为了提高0 $ν$ 2 $β$发现灵敏度,目标是大幅减少感兴趣区域中的背景事件的数量,并结合使用两种先前引用的同位素:$^{130}$ Te和$^{100}$ Mo。为了实现这一目标,BINGO提议实施主动低温否决以抑制外部$γ$背景,使用Neganov-Trofimov-Luke效应来增加光探测器灵敏度,并使用革命性的探测器组件来减少总表面放射性贡献。在这篇文章中,我们将重点放在后者,并提出了最新的结果…
2023-01-17 physics.ins-det
First test of a $\mathrm{CdMoO_4}$ scintillating bolometer for neutrinoless double beta decay experiments with $\mathrm{{}^{116}Cd}$ and $\mathrm{{}^{100}Mo}$ nuclides
利用天然同位素丰度的大圆柱形镉单晶制作了一个测量辐射热计。测量是在地面上毫开尔文温度下进行的,同时读出热量和闪烁光。能量分辨率为FWHM,从5 keV(238 keV)到13 keV(2615 keV)。我们提供了$α$与$β$ / $γ$事件区分的结果。还评价了$\mathrm{CdMoO_4}$晶体的低内部痕量污染。探测器性能初步表明,镉镉晶体是下一代技术中$\mathrm{{}^{100}Mo}$和$\mathrm{{}^{116}Cd}$核素的无中微子双β衰变吸收体。
2019-07-18 physics.ins-det
Rejection of randomly coinciding 2ν2β events in ZnMoO4 scintillating bolometers
由于低温测辐射热计的时间分辨率很差,2ν2 β衰变事件的随机符合可能是低温测辐射热计0ν2β衰变本底的主要来源之一。采用前沿分析、平均时间法和\c{hi} 2方法对ZnMoO4低温辐射热计中随机重合的2ν2β事例进行脉冲形状判别。通过对上升时间约为14 ms、信噪比为900的热信号进行平均时间分析,可以在99%的水平上有效地去除背景,并且对于上升时间为3 ms、信噪比为30的光信号,可以在98%的水平上有效地去除背景(在检测95%的单个事件的要求下)。讨论了信噪比的重要性、信号起始点的正确确定和适当采样频率的选择。
2013-12-01 nucl-ex physics.ins-det
Monte Carlo evaluation of the external gamma, neutron and muon induced background sources in the CUORE experiment
CUORE是一个1吨级的低温实验,旨在测量电子中微子的马约拉纳质量。该探测器是一个阵列的988 TeO 2测辐射热计用于量热检测的两个电子发射的BB 0 n的130 Te。实验对最低马约拉纳质量的灵敏度取决于可以模拟BB 0 n的背景事件的速率。在本文中,我们调查的贡献的外部源,即环境γ,中子和宇宙射线μ子的CUORE背景,并显示,屏蔽设置设计的CUORE保证降低到一个水平<1.0 E-02 c/keV/kg/y的Q值,作为实验的物理目标所要求的外部背景。
2010-03-23 hep-ex physics.ins-det
First scintillating bolometer tests of a CLYMENE R&D on Li$_2$MoO$_4$ scintillators towards a large-scale double-beta decay experiment
在CLYMENE项目中开始了一项新的锂吸收器研发工作(用于稀有事件探测器的吸收测辐射热计的Li $_2$ MoO $_4$晶体的提拉生长)。CLYMENE的主要目标之一是实现Li $_2$ MoO $_4$晶体生长线,以补充LUMINEU最近开发的CUPID的大规模生产能力,CUPID是下一代吨级测热实验,用于寻找无中微子双β衰变。在本文中,我们报告的性能和放射性纯度的158克和13.5克的闪烁测辐射热计的基础上的第一个大质量(230克)锂$_2$钼$_4$晶体闪烁体的CLYMENE项目内开发的调查。特别是,良好的能量分辨率(在0.2- 5 MeV的能量范围内,2- 7 keV的半高宽),最高的光产额之一(0.97 keV/MeV),在Li $_2$ MoO $_4$双折射测辐射热计中,对α粒子进行了有效的鉴别(10 $σ$)和潜在的低内部放射性污染(U/Th低于0.2- 0.3mBq/kg,但1.4 mBq/kg $^{210}$ Po)展示了CLYMENE在开发CUPID用高质量和放射性纯Li $_2$ MoO $_4$还原剂方面的前景。
2018-03-08 physics.ins-det
Rejection of randomly coinciding events in ZnMoO$_4$ scintillating bolometers
由于低温测辐射热计的时间分辨率很差,事件的随机重合(特别是来自两个中微子双β衰变的事件)可能是寻找无中微子双β衰变的主要背景源之一。采用前沿分析法、平均时间法和$χ^2$法对ZnMoO $_4$低温恒温测辐射热计中的随机符合事例进行了脉冲形状判别。在要求检测95%的单个事件的情况下,通过分析具有约14 ms的上升时间和信噪比为900的热信号,这些事件可以被有效地拒绝在99%的水平,并且通过分析具有约3 ms的上升时间和信噪比为30的光信号,这些事件可以被有效地拒绝在92%的水平。这些拒绝效率是兼容的极低的背景水平,在该地区的中性双β衰变的$^{100}$钼富集ZnMoO $_4$探测器,$10^{-4}$计数/(ykeV千克)的顺序。脉冲形状参数已被选择的基础上的一个真正的大规模ZnMoO $_4$闪烁测辐射热计的性能。讨论了信噪比的重要性、信号起始点的正确确定和适当采样频率的选择。
2014-04-04 nucl-ex physics.ins-det
Performances of a large mass ZnSe bolometer to search for rare events
ZnSe闪烁测辐射热计是LUCIFER实验的基线选择,其目的是观察82 Se的无中微子双β衰变。热量和闪烁信号的独立读出允许识别和拒绝α粒子相互作用,这是测辐射热探测器的主要背景源。在本文中,我们报告的ZnSe晶体内的LUCIFER R&D操作的性能。我们测量了闪烁产额、能量分辨率和能量区域中的背景,在该能量区域中,预期来自82 Se的无中微子双β衰变的信号具有9.4 kg x天的暴露。利用新开发的分析算法,我们改进了对α事件的拒绝,并且我们估计了通过热信号和光信号的组合获得的能量分辨率的增加。我们第一次测量了核反冲发出的光,发现它与零相容。我们的结论是,从β/γ相互作用的WIMPs能量区域的核反冲的歧视是可能的,但低噪声的光探测器是必要的。
2013-05-29 nucl-ex physics.ins-det
Enhanced light signal for the suppression of pile-up events in Mo-based bolometers for the $0νββ$ decay search
本文提出利用NTL辅助光探测器增强Mo基辐射热计的信噪比,通过脉冲形状甄别算法高效抑制堆积事件,实现极低背景指数,满足CUPID等下一代无中微子双β衰变实验需求。
2023-04-03 physics.ins-det
Cerenkov light identification with Si low-temperature detectors with Neganov-Luke effect-enhanced sensitivity
利用Neganov-Luke效应增强热信号的新一代低温光探测器已被用于探测TeO $_{2}$晶体中电子相互作用产生的切伦科夫光。利用这种机制,在$^{130}$ Te无中微子双β衰变Q值(2527.515 $\pm$ 0.013)keV处,α和β/γ相互作用之间的事件-事件区分已被证明。这种测量打开了在基于TeO $_{2}$的低温实验中大幅降低背景的可能性。
2016-10-25 nucl-ex physics.ins-det
Study of Rare Nuclear Processes with CUORE
TeO 2测辐射热计多年来一直被用于寻找130-Te中的无中微子双β衰变。CUORE是一个吨级的TeO 2探测器阵列,最近公布了对半衰期最敏感的极限$T_{1/2}^{0ν} > 1.5 \times 10^{25}\,$ yr,它对应于中微子有效马约拉纳质量的上限$140-400$ ~meV。虽然它使CUORE成为世界领先的寻找无中微子双β衰变的实验,但它并不是CUORE在核物理和粒子物理领域做出贡献的唯一研究。正如多年来在许多小规模实验中所做的那样,CUORE将研究罕见的衰变(如130-Te的双中微子双β衰变和123-Te中假设的电子捕获)和罕见的过程(例如,暗物质和轴子相互作用)。本文介绍了一些过去的实验,使用TeO 2测辐射热计的成就,和CUORE的前景。
2018-01-17 nucl-ex physics.ins-det
Low mass WIMP search with EDELWEISS-III: First Results
我们提出了第一次搜索低质量WIMP使用锗测辐射热计的EDELWEISS-III实验。探测器和电子设备的升级提高了背景识别能力和相对于EDELWEISS-II的低能量灵敏度。实施多变量分析,以充分利用探测器的潜力,达到1.6 $\times 10^{-5}$ PB的灵敏度为7 GeV/c $^2$的WIMP质量的数据集的一部分,揭盲的背景建模和分析调整。
2015-06-22 astro-ph.CO physics.ins-det
Status of the CUORE and results from the CUORE-0 neutrinoless double beta decay experiments
CUORE是一个741公斤的TeO 2辐射热计阵列,用于研究130 Te的无中微子双β衰变。该探测器正在意大利Gran Sasso的Nazionali建造,将于2015年开始收集数据。如果将达到0.01计数/keV/kg/y的目标背景,在五年的数据采集中,CUORE将具有10 E26 y的1 σ半衰期灵敏度。CUORE-0是一个较小的实验,用于测试和演示CUORE的预期性能。该探测器是一个由52个类似CUORE的测辐射热计组成的单塔,于2013年春季开始采集数据。将讨论CUORE的现状和前景,并将提供第一个CUORE-0数据。
2015-02-12 hep-ex physics.ins-det
LUMINEU: a search for neutrinoless double beta decay based on ZnMoO$_4$ scintillating bolometers
LUMINEU的设计是为了研究通过基于富含$^{100}$ Mo的ZnMoO $_4$晶体的大阵列的热释辐射热计来寻找$^{100}$ Mo中的无中微子双β衰变的可能性。高能量分辨率和相对快速的探测器能够测量晶体中粒子相互作用产生的光和热,这对于识别和拒绝背景事件是非常有希望的。我们提出了LUMINEU的概念和实验结果,取得了地上和地下大质量的天然和富集晶体。测得的能量分辨率、$α/β$鉴别能力和放射性内部污染均在预计最终LUMINEU灵敏度的质量标准范围内。模拟和初步结果证实,LUMINEU技术可以达到零背景的兴趣区域(约3兆电子伏)与数百公斤$\times$年的顺序曝光,设置下一代$0\nu2β$衰变实验能够探索中微子质量模式的倒置层次区域的基础。
2016-01-19 nucl-ex physics.ins-det
Pulse Shape Discrimination in CUPID-Mo using Principal Component Analysis
CUPID-Mo是一种低温探测器阵列,设计用于搜索$^{100}$ Mo的无中微子双β衰变($0νββ$)。它使用20个配备Ge光探测器的富集$^{100}$ Mo的Li $_2$ MoO $_4$测辐射热计来执行$α$背景的主动抑制,从而大幅降低$0νββ$信号区域中的预期背景。因此,堆积事件和模拟正常信号的小探测器不稳定性成为不可忽略的潜在背景。这些类型的事件原则上可以基于它们的信号形状来消除,这些信号形状不同于规则的测辐射热脉冲的信号形状。我们表明,一个纯粹的数据驱动的主成分分析为基础的方法是能够过滤出这些异常事件,没有探测器响应模拟的帮助。
2021-03-23 nucl-ex physics.data-an physics.ins-det
Characterization of the Li$_2$WO$_4$ crystal as a cryogenic scintillating calorimeter
INFN -- Laboratori Nazionali del Gran Sasso(意大利国家核物理研究所大萨索国家实验室);Gran Sasso Science Institute(大萨索科学研究所);INFN -- Sezione di Milano - Bicocca(意大利国家核物理研究所米兰-比可卡分部);Università degli Studi di Milano -- Bicocca(米兰-比可卡大学);Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, SB RAS(俄罗斯科学院西伯利亚分院尼古拉耶夫无机化学研究所);Université Paris-Saclay(巴黎萨克雷大学);Nazarbayev University(纳扎尔巴耶夫大学)
本研究首次在地下测试了非钼掺杂天然钨酸锂(LWO)晶体作为闪烁低温量热计的性能,验证了其优异的能量分辨率与粒子鉴别能力,证实该材料是下一代稀有事件物理实验的理想候选材料。
2025-10-29 nucl-ex physics.ins-det
First data from the CUPID-Mo neutrinoless double beta decay experiment
CUPID-Mo实验正在寻找$^{100}$ Mo中的无中微子双β衰变,评估用于CUPID的Li $_{2}^{100}$ MoO $_4$探测器的低温灭菌技术(CUORE升级与粒子ID)。CUPID-Mo探测器采用双读出方案,利用Li $_{2}$ MoO $_4$晶体进行背景抑制,并辅以Ge测辐射热计进行光探测。热信号和闪烁光信号的检测允许有效区分$α$与$γ$和$β$事件。在本文中,我们讨论了2019年春季前两个月数据采集的结果。除了在2615 $\,$ keV处具有6.7 $\,$ keV(FWHM)的出色测辐射热性能以及所有探测器的$α$分离度优于99.9%之外,我们还报告了Th和U的批量放射性纯度。最后,我们解释了累积的物理数据的限制$T_{1/2}^{0ν}\,> 3\times10^{23}\,$年的$^{100}$钼和讨论的敏感性CUPID-Mo,直到预期的物理数据在2020年初结束。
2019-11-23 hep-ex nucl-ex physics.ins-det
BINGO innovative assembly for background reduction in bolometric $0νββ$ experiments
BINGO项目通过创新探测器组装、低温光电探测器和主动反符合技术,将辐射热测量计0νββ实验的本底指数降至10^{-5} counts/(keV kg yr)量级,并在Canfranc地下实验室验证了容纳四块Li₂MoO₄晶体的原型模块性能。
2024-07-08 nucl-ex physics.ins-det
The projected background for the CUORE experiment
罕见事件低温地下观测站(CUORE)的设计目的是寻找130 Te的无中微子双β衰变,使用988 TeO 2测辐射热计阵列,工作温度约为10 mK。目前,该实验正在意大利Gran Sasso国家图书馆A厅进行。CUORE的目标是达到90%的C.L.。在5年的数据采集后,对9 $\times$ 10 $^{25}$年的\tect衰变半衰期的排除敏感性。实现这一目标所要解决的主要问题是感兴趣区域中的背景事件发生率,其不得高于10 $^{-2}$计数/keV/kg/y。我们开发了一个详细的蒙特卡罗模拟,从材料筛选,放射性分析和测热测量活动的结果的基础上,以评估预期的背景。多年来,这被用来指导实验的构建策略,我们在这里使用它来为CUORE设计一个背景模型。本文报道了我们的研究结果和对130 Te无中微子双β衰变峰特征能区的本底率的预期。
2017-08-31 physics.ins-det