Published July 8, 2015 | Version v1
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Development of cryogenic low background detector based on enriched zinc molybdate crystal scintillators to search for neutrinoless double beta decay of 100Mo

Description

Observation of neutrinoless double beta (0ν2β) decay would imply the violation of lepton number conservation and definitely new physics beyond the Standard Model, establishing the Majorana nature of neutrinos. Cryogenic scintillating bolometers look the most promising detectors to search for this extremely rare nuclear process in a few theoretically the most favorable nuclei. ZnMoO4 scintillators with a mass of ∼ 0.3 kg, as well as Zn100 MoO4 crystals enriched in the isotope 100Mo were produced for the first time by using the low-thermal-gradient Czochralski technique. The optical and luminescent properties of the produced crystals were studied to estimate the progress in crystal growth quality. The low-temperature tests with a 313 g ZnMoO4 scintillator and two enriched Zn100 MoO4 were performed aboveground in the Centre de Sciences Nucleaires et de Sciences de la Matiere. The low background measurements with a three ZnMoO4 and two enriched detectors installed in the EDELWEISS set-up at the Laboratoire Souterrain de Modane were carried out.To optimize the light collection in ZnMoO4 cryogenic scintillating bolometers, we have simulated the collection of scintillation photons in a detector module for different geometries by Monte Carlo method using the GEANT4 package. Response to the 2ν2β decay of 100Mo was simulated for the enriched Zn100 MoO4 detectors of different shape and mass to understand the dependence of 2ν2β decay spectra on crystal shape. We have simulated 48 Zn100 MoO4 crystals with a size of Diam. 60 x 40 mm installed in the EDELWEISS cryostat. The contribution to background from the internal radioactive contamination of the crystals, cosmogenic activation and radioactive contamination of the set-up were simulated.Taking into account the poor time resolution of the low temperature bolometers, we also studied contribution to background at the Q energy of random coincidences of signals, in particular of 2ν2β decay, which is one of the most valuable sources of background in cryogenic bolometers. Methods of the randomly coinciding events rejection were developed and compared. We have also analyzed dependence of the rejection efficiency on a cryogenic detector performance. (author)

Abstract (French)

L'observation de la double desintegration beta sans neutrinos (0ν2β) impliquerait la violation de la conservation du numero leptonique, signe d'une nouvelle physique au-dela du Modele Standard, et permettrait d'etablir la nature de Majorana des neutrinos. Les bolometres scintillants cryogeniques sont parmi les detecteurs les plus prometteurs pour rechercher ce processus nucleaire extremement rare dans des noyaux qui sont theoriquement entre les plus favorables. Des scintillateurs de ZnMoO4 ayant une masse de ∼ 0.3 kg, ainsi que des cristaux de Zn100 MoO4 enrichi dans l'isotope 100Mo, ont ete produits pour la premiere fois en utilisant la technique de Czochralski a faible gradient thermique. Les proprietes optiques et de luminescence des cristaux produits ont ete etudiees pour evaluer le progres de la qualite de la croissance des cristaux. Des tests a basse temperature avec un scintillateur de 313 g de ZnMoO4 et deux scintillateurs de Zn100 MoO4 enrichis ont ete realisees en surface au Centre de Sciences Nucleaires et de Sciences de la Matiere. On a aussi mene des mesures a faible fond radioactif avec trois cristaux de ZnMoO4 naturels et deux detecteurs enrichis, installes dans le setup d' EDELWEISS au Laboratoire Souterrain de Modane.Pour optimiser la collecte de la lumiere dans des bolometres scintillants cryogenique de ZnMoO4, nous avons simule par une methode Monte Carlo la collecte des photons de scintillation dans un module de detection pour differentes geometries, en utilisant le logiciel GEANT4. La reponse a la desintegration 2ν2β de 100Mo a ete simulee pour des detecteurs enrichis de Zn100 MoO4 avec forme et masse differente, avec le but de comprendre la structure des spectres 2ν2β en fonctionne de la forme des cristaux. Nous avons simule aussi la performance de 48 cristaux de Zn100 MoO4 ayant une taille de Diam. 60 x 40 mm et installes dans le cryostat d'EDELWEISS. La contribution au fond de la contamination radioactive interne des cristaux, l'activation cosmogenique et la contamination radioactive du setup ont ete simulees. Tenant compte de la modeste resolution temporelle des bolometres a basse temperature, nous avons egalement etudie la contribution au fond a l'energie Q determine par des coincidences aleatoires de signaux, en particulier du a la decroissance 2ν2β, qui est l'une des sources de fond les plus dangereuses dans les bolometres cryogeniques. Des methodes pour le rejet d'evenements coincidant par hasard ont ete developpees et comparees. Nous avons egalement analyse la dependance de l'efficacite de rejet a l'egard des performances du detecteur cryogenique. (auteur)

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Original title (English)
Developpement de detecteurs cryogeniques a faible bruit de fond composes de cristaux scintillateurs enrichis en molybdate de zinc pour la recherche de la double desintegration beta sans neutrinos du 100Mo

Publishing Information

Imprint Pagination
149 p.
Report number
FRNC-TH--13901

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Notes
203 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses