A search for neutrinoless double beta decay of 100Mo with the AMoRE-Pilot experiment

Abstract

Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment~(AMoRE) is a large-scale experiment to search for neutrinoless double beta decay~(0nbb) of 100Mo in Molybdenum-based scintillating crystals using low temperature calorimeters. Metallic Magnetic Calorimeters~(MMCs) are used as the sensors to measure the temperature rise of the crystal due to absorption of electrons emitted during the double beta decay process. Since the temperature rise is a function of the deposited energy, the MMC provides high-resolution energy measurement required for this rare-event search experiment. This dissertation presents the experimental realisation of the cryogenic measurement setup for the AMoRE in the Yangyang Underground Laboratory~(Y2L)

and the first results from the AMoRE, with the first three months data of the commissioning phase of the experiment: the AMoRE-Pilot. An observation of the 0nbb signal would be a firm evidence of neutrinos being Majorana particles, that is, neutrinos are their own antiparticles.

The AMoRE-Pilot has been running since 2015 to realise the underground measurements using six large mass~(196-390~g) 100Mo-enriched and 48Ca-depleted 40Ca100MoO4 crystals. In the first four runs, experimental conditions were optimised for the best detector performances. During the fifth data collecting run of the AMoRE-Pilot experiment, all six detectors has been successfully operated for more than 1000 hours, with 1.9~kg of the total crystal mass. We analysed the first 111~kg.days of the 40Ca100MoO4 crystal exposure and found no evidence for the 0nbb with the detection sensitivity of T_1/2 = 1.1 x 10^23 y (90% C.L.). This limit is lower than the world-leading limit on the rate of the 0nbb of 100Mo at T_1/2 = 1.1x10^24 obtained by the NEMO-3 collaboration, but is slightly higher the limit set by LUMINEU at T_1/2 = 6.9x10^22. The high level of background in the region of interest~(ROI) was identified as the main cause of degrading the detection sensitivity. From the analysis results from the AMoRE-Pilot, we identified the most of the background sources that affects the background level in the ROI, and have removed them from the system. The efforts of improving the performance of the system and lowering the background level in the ROI are also discussed in the dissertation.

Advanced Molybdenum-based Rare process Experiment~(AMoRE, 아모레) 실험은 저온검출기를 이용하여 중성미자 미방출 이중 베타 붕괴~(0nbb)를 검출하기 위한 실험으로, Molybdenum 기반의 섬광 결정에 포함된 동위원소 100Mo의 0nbb 를 관측하고자 한다. 이중 베타 붕괴시에 방출되는 전자쌍이 검출기의 흡수체를 이루는 섬광 결정에 흡수되면 결정의 온도가 증가하는데, 이때 극저온에서 동작하는 초전도 센서인 금속 자기 열량계~(MMC)를 온도계로 사용하여 이 온도 변화를 측정한다. 섬광 결정의 온도 변화는 결정이 흡수한 에너지 변화에 비례하므로, 이 검출기에서 MMC는 고분해능 열량계의 역할을 한다. 이 논문에서는 양양지하실험실~(Y2L)에 구축한 아모레 실험의 저온 검출 실험 셋업과, 실험의 시험운영 단계인 AMoRE-Pilot~(아모레-파일럿)에서 얻은 첫 두 달 분량 데이터의 분석 결과에 대해 발표한다. 분석 결과로부터 0nbb 신호가 발견된다는 것은 중성미자가 마요라나 입자라는 것, 즉, 중성미자가 스스로의 반물질이라는 것을 의미한다.

아모레-파일럿은 지하에서의 저온 측정을 가능하게 하기 위해 여섯 개의 결정을 사용하여 2015년부터 진행중이다. 여기에서 사용된 결정은 100Mo 함량이 강화되고 48Ca이 열화된 40Ca100MoO4 결정으로, 질량은 190~g 에서 390~g 사이이다. 처음 네 번의 측정에서는 검출 성능을 높이기 위해 실험 조건을 최적화하였다. 다섯 번째의 아모레-파일럿 측정에서는 여섯 개의 검출기가 전부 작동하는 상황에서 측정이 1000 시간 이상 유지되었으며, 이때 40Ca100MoO4 결정의 총 질량은 약 1.9~kg 이었다. 이중 첫 111~kg.days 분량의 데이터가 분석에 이용되었고, 검출 감도 T_1/2 = 1.1x10^23 y (90% C.L.) 에서 100Mo의 0nbb 라고 판단할 만한 유의미한 양의 신호가 검출되지 않았다. 이 검출 감도는 기존 100Mo 를 이용한 0nbb 실험 중 가장 높은 검출 한도인 NEMO-3 실험의 T_1/2 = 1.1x10^24 y 보다 낮은 한도이나, 아모레 실험과 유사한 저온검출기를 사용하는 실험인 LUMINEU 실험의 검출 한도인 T_1/2 = 6.9x10^22 y 보다는 높은 한도이다. 검출 한도가 낮은 원인 중 가장 지배적인 요인으로는 관심 영역~(ROI)에서의 배경방사선 수준이 높다는 점이 지목되었다. 아모레-파일럿의 분석 결과를 통해 관심 영역의 배경방사선 수준을 높이는 원인 물질이 제거되었으며, 중성자 차폐를 설치하는 것으로 중성자 흡수에서 기인하는 고에너지 감마 배경방사선을 줄였다. 아모레-파일럿 실험의 결과와 더불어, 검출기 성능을 개선하기 위한 노력과 관심 영역의 배경 방사선 수준을 낮추기 위한 노력 역시 이 논문에서 다룬다.