1
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Azzolini O, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Capelli S, Caracciolo V, Cardani L, Carniti P, Casali N, Celi E, Chiesa D, Clemenza M, Colantoni I, Cremonesi O, Cruciani A, D'Addabbo A, Dafinei I, Di Domizio S, Dompè V, Fantini G, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Kotila J, Martinez M, Nagorny SS, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Ressa A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova AS. Measurement of the 2νββ Decay Half-Life of ^{82}Se with the Global CUPID-0 Background Model. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2023; 131:222501. [PMID: 38101385 DOI: 10.1103/physrevlett.131.222501] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/09/2023] [Revised: 07/31/2023] [Accepted: 10/31/2023] [Indexed: 12/17/2023]
Abstract
We report on the results obtained with the global CUPID-0 background model, which combines the data collected in the two measurement campaigns for a total exposure of 8.82 kg×yr of ^{82}Se. We identify with improved precision the background sources within the 3 MeV energy region, where neutrinoless double β decay of ^{82}Se and ^{100}Mo is expected, making more solid the foundations for the background budget of the next-generation CUPID experiment. Relying on the excellent data reconstruction, we measure the two-neutrino double β-decay half-life of ^{82}Se with unprecedented accuracy: T_{1/2}^{2ν}=[8.69±0.05(stat)_{-0.06}^{+0.09}(syst)]×10^{19} yr.
Collapse
Affiliation(s)
- O Azzolini
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Padua), Italy
| | - J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - M Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Biassoni
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Bucci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Caracciolo
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - E Celi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - I Colantoni
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Nanotecnologia, c/o Dipartimento Fisica, Sapienza Universifreference fittà di Roma, 00185, Rome, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Cruciani
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - A D'Addabbo
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - S Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - V Dompè
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - G Fantini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - F Ferroni
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- CNRS/CSNSM, Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière, 91405 Orsay, France
| | - P Gorla
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - C Gotti
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Keppel
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Padua), Italy
| | - J Kotila
- University of Jyväskylä, Department of Physics, P.O. Box 35 (YFL), Jyväskylä FI-40014, Finland
- Finnish Institute for Educational Research, P.O. Box 35 FI-40014 University of Jyväskylä, Jyväskylä 40014, Finland
- Center for Theoretical Physics, Sloane Physics Laboratory, Yale University, New Haven, Connecticut 06520-8120, USA
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - S S Nagorny
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - M Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Nisi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D Orlandi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - L Pagnanini
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - M Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - L Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Pettinacci
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - S Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - A Puiu
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - A Ressa
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - C Rusconi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - M Vignati
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185, Rome, Italy
| | - A S Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
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Collapse
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Augier C, Barabash AS, Bellini F, Benato G, Beretta M, Bergé L, Billard J, Borovlev YA, Cardani L, Casali N, Cazes A, Celi E, Chapellier M, Chiesa D, Dafinei I, Danevich FA, De Jesus M, Dixon T, Dumoulin L, Eitel K, Ferri F, Fujikawa BK, Gascon J, Gironi L, Giuliani A, Grigorieva VD, Gros M, Helis DL, Huang HZ, Huang R, Imbert L, Johnston J, Juillard A, Khalife H, Kleifges M, Kobychev VV, Kolomensky YG, Konovalov SI, Kotila J, Loaiza P, Ma L, Makarov EP, de Marcillac P, Mariam R, Marini L, Marnieros S, Navick XF, Nones C, Norman EB, Olivieri E, Ouellet JL, Pagnanini L, Pattavina L, Paul B, Pavan M, Peng H, Pessina G, Pirro S, Poda DV, Polischuk OG, Pozzi S, Previtali E, Redon T, Rojas A, Rozov S, Sanglard V, Scarpaci JA, Schmidt B, Shen Y, Shlegel VN, Šimkovic F, Singh V, Tomei C, Tretyak VI, Umatov VI, Vagneron L, Velázquez M, Ware B, Welliver B, Winslow L, Xue M, Yakushev E, Zarytskyy M, Zolotarova AS. Measurement of the 2νββ Decay Rate and Spectral Shape of ^{100}Mo from the CUPID-Mo Experiment. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2023; 131:162501. [PMID: 37925694 DOI: 10.1103/physrevlett.131.162501] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/26/2023] [Revised: 08/29/2023] [Accepted: 09/21/2023] [Indexed: 11/07/2023]
Abstract
Neutrinoless double beta decay (0νββ) is a yet unobserved nuclear process that would demonstrate Lepton number violation, a clear evidence of beyond standard model physics. The process two neutrino double beta decay (2νββ) is allowed by the standard model and has been measured in numerous experiments. In this Letter, we report a measurement of 2νββ decay half-life of ^{100}Mo to the ground state of ^{100}Ru of [7.07±0.02(stat)±0.11(syst)]×10^{18} yr by the CUPID-Mo experiment. With a relative precision of ±1.6% this is the most precise measurement to date of a 2νββ decay rate in ^{100}Mo. In addition, we constrain higher-order corrections to the spectral shape, which provides complementary nuclear structure information. We report a novel measurement of the shape factor ξ_{3,1}=0.45±0.03(stat)±0.05(syst) based on a constraint on the ratio of higher-order terms from theory, which can be reliably calculated. This is compared to theoretical predictions for different nuclear models. We also extract the first value for the effective axial vector coupling constant obtained from a spectral shape study of 2νββ decay.
Collapse
Affiliation(s)
- C Augier
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - A S Barabash
- National Research Centre "Kurchatov Institute," Kurchatov Complex of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - G Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, I-67100 L'Aquila, Italy
| | - M Beretta
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Bergé
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - J Billard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - Yu A Borovlev
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - A Cazes
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - E Celi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, I-67100 L'Aquila, Italy
| | - M Chapellier
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - F A Danevich
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
- INFN, Sezione di Roma Tor Vergata, Via della Ricerca Scientifica 1, I-00133 Rome, Italy
| | - M De Jesus
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - T Dixon
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - L Dumoulin
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - K Eitel
- Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Astroparticle Physics, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - F Ferri
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - B K Fujikawa
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Gascon
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - V D Grigorieva
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - M Gros
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D L Helis
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - H Z Huang
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - R Huang
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Imbert
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - J Johnston
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - A Juillard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - H Khalife
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - M Kleifges
- Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Data Processing and Electronics, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - V V Kobychev
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - Yu G Kolomensky
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S I Konovalov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - J Kotila
- Department of Physics, University of Jyväskylä, P.O. Box 35, FI-40014 Jyväskylä, Finland
- Finnish Institute for Educational Research, University of Jyväskylä, P.O. Box 35, FI-40014 Jyvaäskylä, Finland
- Center for Theoretical Physics, Sloane Physics Laboratory, Yale University, New Haven, Connecticut 06520-8120, USA
| | - P Loaiza
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - L Ma
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - E P Makarov
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - P de Marcillac
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - R Mariam
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - L Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S Marnieros
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - X-F Navick
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E B Norman
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - E Olivieri
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - J L Ouellet
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - L Pagnanini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, I-67100 L'Aquila, Italy
| | - L Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Physik Department, Technische Universität München, Garching D-85748, Germany
| | - B Paul
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - H Peng
- Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, People's Republic of China
| | - G Pessina
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - D V Poda
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - O G Polischuk
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - S Pozzi
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - Th Redon
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - A Rojas
- LSM, Laboratoire Souterrain de Modane, 73500 Modane, France
| | - S Rozov
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow region, Russia
| | - V Sanglard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - J A Scarpaci
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - B Schmidt
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - Y Shen
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - V N Shlegel
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - F Šimkovic
- Faculty of Mathematics, Physics and Informatics, Comenius University in Bratislava, 842 48 Bratislava, Slovakia
- Institute of Experimental and Applied Physics, Czech Technical University in Prague, 128 00 Prague, Czech Republic
| | - V Singh
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - V I Tretyak
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - V I Umatov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - L Vagneron
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - M Velázquez
- Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, SIMAP, 38420 Saint Martin d'Hères, France
| | - B Ware
- John de Laeter Centre for Isotope Research, GPO Box U 1987, Curtin University, Bentley, Western Australia, Australia
| | - B Welliver
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Winslow
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - M Xue
- Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, People's Republic of China
| | - E Yakushev
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow region, Russia
| | - M Zarytskyy
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - A S Zolotarova
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
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Bandac IC, Barabash AS, Bergé L, Borovlev YA, Calvo-Mozota JM, Carniti P, Chapellier M, Dafinei I, Danevich FA, Dumoulin L, Ferri F, Giuliani A, Gotti C, Gras P, Grigorieva VD, Ianni A, Khalife H, Kobychev VV, Konovalov SI, Loaiza P, Madhukuttan M, Makarov EP, de Marcillac P, Marnieros S, Marrache-Kikuchi CA, Martinez M, Nones C, Olivieri E, Ortiz de Solórzano A, Pessina G, Poda DV, Redon T, Scarpaci JA, Shlegel VN, Tretyak VI, Umatov VI, Zarytskyy MM, Zolotarova A. Li 2100deplMoO 4 Scintillating Bolometers for Rare-Event Search Experiments. SENSORS (BASEL, SWITZERLAND) 2023; 23:5465. [PMID: 37420632 DOI: 10.3390/s23125465] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/25/2023] [Revised: 05/16/2023] [Accepted: 06/03/2023] [Indexed: 07/09/2023]
Abstract
We report on the development of scintillating bolometers based on lithium molybdate crystals that contain molybdenum that has depleted into the double-β active isotope 100Mo (Li2100deplMoO4). We used two Li2100deplMoO4 cubic samples, each of which consisted of 45-millimeter sides and had a mass of 0.28 kg; these samples were produced following the purification and crystallization protocols developed for double-β search experiments with 100Mo-enriched Li2MoO4 crystals. Bolometric Ge detectors were utilized to register the scintillation photons that were emitted by the Li2100deplMoO4 crystal scintillators. The measurements were performed in the CROSS cryogenic set-up at the Canfranc Underground Laboratory (Spain). We observed that the Li2100deplMoO4 scintillating bolometers were characterized by an excellent spectrometric performance (∼3-6 keV of FWHM at 0.24-2.6 MeV γs), moderate scintillation signal (∼0.3-0.6 keV/MeV scintillation-to-heat energy ratio, depending on the light collection conditions), and high radiopurity (228Th and 226Ra activities are below a few µBq/kg), which is comparable with the best reported results of low-temperature detectors that are based on Li2MoO4 using natural or 100Mo-enriched molybdenum content. The prospects of Li2100deplMoO4 bolometers for use in rare-event search experiments are briefly discussed.
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Affiliation(s)
- Iulian C Bandac
- Laboratorio Subterráneo de Canfranc, 22880 Canfranc-Estación, Spain
| | - Alexander S Barabash
- National Research Centre Kurchatov Institute, Kurchatov Complex of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - Laurent Bergé
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | - Yury A Borovlev
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - José Maria Calvo-Mozota
- Laboratorio Subterráneo de Canfranc, 22880 Canfranc-Estación, Spain
- Escuela Superior de Ingeniería y Tecnología, Universidad Internacional de La Rioja, 26006 Logroño, Spain
| | - Paolo Carniti
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | | | | | - Fedor A Danevich
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
- INFN Sezione di Roma Tor Vergata, I-00133 Rome, Italy
| | - Louis Dumoulin
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | - Federico Ferri
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - Andrea Giuliani
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | - Claudio Gotti
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - Philippe Gras
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | | | - Aldo Ianni
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - Hawraa Khalife
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | | | - Sergey I Konovalov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Kurchatov Complex of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - Pia Loaiza
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | | | - Evgeny P Makarov
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | | | | | | | - Maria Martinez
- Centro de Astropartículas y Física de Altas Energías, Universidad de Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain
- ARAID Fundación Agencia Aragonesa para la Investigación y el Desarrollo, 50018 Zaragoza, Spain
| | - Claudia Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | | | | | | | - Denys V Poda
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | - Thierry Redon
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, F-91405 Orsay, France
| | | | | | - Volodymyr I Tretyak
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi, Italy
| | - Vladimir I Umatov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Kurchatov Complex of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
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4
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Beeman JW, Benato G, Bucci C, Canonica L, Carniti P, Celi E, Clemenza M, D'Addabbo A, Danevich FA, Di Domizio S, Di Lorenzo S, Dubovik OM, Ferreiro Iachellini N, Ferroni F, Fiorini E, Fu S, Garai A, Ghislandi S, Gironi L, Gorla P, Gotti C, Guillaumon PV, Helis DL, Kovtun GP, Mancuso M, Marini L, Olmi M, Pagnanini L, Pattavina L, Pessina G, Petricca F, Pirro S, Pozzi S, Puiu A, Quitadamo S, Rothe J, Scherban AP, Schönert S, Solopikhin DA, Strauss R, Tarabini E, Tretyak VI, Tupitsyna IA, Wagner V. Characterization of a kg-scale archaeological lead-based PbWO 4 cryogenic detector for the RES-NOVA experiment. Appl Radiat Isot 2023; 194:110704. [PMID: 36731392 DOI: 10.1016/j.apradiso.2023.110704] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/29/2022] [Revised: 01/21/2023] [Accepted: 01/26/2023] [Indexed: 01/30/2023]
Abstract
Core-collapse Supernovae (SNe) are one of the most energetic events in the Universe, during which almost all the star's binding energy is released in the form of neutrinos. These particles are direct probes of the processes occurring in the stellar core and provide unique insights into the gravitational collapse. RES-NOVA will revolutionize how we detect neutrinos from astrophysical sources, by deploying the first ton-scale array of cryogenic detectors made from archaeological lead. Pb offers the highest neutrino interaction cross-section via coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS). Such process will enable RES-NOVA to be equally sensitive to all neutrino flavours. For the first time, we propose the use archaeological Pb as sensitive target material in order to achieve an ultra-low background level in the region of interest (O(1 keV)). All these features make possible the deployment of the first cm-scale neutrino telescope for the investigation of astrophysical sources. In this contribution, we will characterize the radiopurity level and the performance of a small-scale proof-of-principle detector of RES-NOVA, consisting in a PbWO4 crystal made from archaeological-Pb operated as cryogenic detector.
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Affiliation(s)
- J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, 94720, CA, USA
| | - G Benato
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - C Bucci
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - L Canonica
- Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, München, DE-80805, Germany
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy; INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - E Celi
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - M Clemenza
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - A D'Addabbo
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - F A Danevich
- Institute for Nuclear Research of NASU, Kyiv, 03028, Ukraine
| | - S Di Domizio
- INFN Sezione di Genova and Università di Genova, Via Dodecaneso 33, Genova, I-16146, IT, Italy
| | - S Di Lorenzo
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - O M Dubovik
- Institute of Scintillation Materials of NASU, Kharkiv, 61072, Ukraine
| | | | - F Ferroni
- Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy; INFN Sezione di Roma-1, P.le Aldo Moro 2, Roma, I-00185, IT, Italy
| | - E Fiorini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy; INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - S Fu
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - A Garai
- Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, München, DE-80805, Germany
| | - S Ghislandi
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy; INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - P Gorla
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - C Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy; INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - P V Guillaumon
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - D L Helis
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - G P Kovtun
- National Science Center 'Kharkiv Institute of Physics and Technology', Kharkiv, 61108, Ukraine
| | - M Mancuso
- Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, München, DE-80805, Germany
| | - L Marini
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - M Olmi
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - L Pagnanini
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - L Pattavina
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Technical University of Munich, JamesFranckStrasse 1, Garching, 85748, DE, Germany.
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - F Petricca
- Max-Planck-Institut für Physik, Föhringer Ring 6, München, DE-80805, Germany
| | - S Pirro
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy; INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - A Puiu
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy
| | - S Quitadamo
- Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Via G. Acitelli 22, Assergi, 67100, IT, Italy; Gran Sasso Science Institute, Viale F. Crespi 7, L'Aquila, 67100, IT, Italy.
| | - J Rothe
- Technical University of Munich, JamesFranckStrasse 1, Garching, 85748, DE, Germany
| | - A P Scherban
- National Science Center 'Kharkiv Institute of Physics and Technology', Kharkiv, 61108, Ukraine
| | - S Schönert
- Technical University of Munich, JamesFranckStrasse 1, Garching, 85748, DE, Germany
| | - D A Solopikhin
- National Science Center 'Kharkiv Institute of Physics and Technology', Kharkiv, 61108, Ukraine
| | - R Strauss
- Technical University of Munich, JamesFranckStrasse 1, Garching, 85748, DE, Germany
| | - E Tarabini
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, Piazza della Scienza 3, Milano, I-20126, IT, Italy
| | - V I Tretyak
- Institute for Nuclear Research of NASU, Kyiv, 03028, Ukraine
| | - I A Tupitsyna
- Institute of Scintillation Materials of NASU, Kharkiv, 61072, Ukraine
| | - V Wagner
- Technical University of Munich, JamesFranckStrasse 1, Garching, 85748, DE, Germany
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5
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Azzolini O, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Capelli S, Caracciolo V, Cardani L, Carniti P, Casali N, Chiesa D, Clemenza M, Colantoni I, Cremonesi O, Cruciani A, D'Addabbo A, Dafinei I, De Dominicis F, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova AS. Final Result on the Neutrinoless Double Beta Decay of ^{82}Se with CUPID-0. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2022; 129:111801. [PMID: 36154394 DOI: 10.1103/physrevlett.129.111801] [Citation(s) in RCA: 2] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/03/2022] [Accepted: 07/22/2022] [Indexed: 06/16/2023]
Abstract
CUPID-0, an array of Zn^{82}Se cryogenic calorimeters, was the first medium-scale demonstrator of the scintillating bolometers' technology. The first project phase (March 2017-December 2018) allowed the most stringent limit on the neutrinoless double beta decay half-life of the isotope of interest, ^{82}Se, to be set. After a six month long detector upgrade, CUPID-0 began its second and last phase (June 2019-February 2020). In this Letter, we describe the search for neutrinoless double beta decay of ^{82}Se with a total exposure (phase I+II) of 8.82 kg yr^{-1} of isotope. We set a limit on the half-life of ^{82}Se to the ground state of ^{82}Kr of T_{1/2}^{0ν}(^{82}Se)>4.6×10^{24} yr (90% credible interval), corresponding to an effective Majorana neutrino mass m_{ββ}<(263-545) meV. We also set the most stringent lower limits on the neutrinoless decays of ^{82}Se to the 0_{1}^{+}, 2_{1}^{+}, and 2_{2}^{+} excited states of ^{82}Kr, finding 1.8×10^{23} yr, 3.0×10^{23} yr, and 3.2×10^{23} yr (90% credible interval) respectively.
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Affiliation(s)
- O Azzolini
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - M Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Biassoni
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Bucci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Caracciolo
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - I Colantoni
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Nanotecnologia, c/o Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Cruciani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - A D'Addabbo
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - F De Dominicis
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - S Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - F Ferroni
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- CNRS/CSNSM, Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière, 91405 Orsay, France
| | - P Gorla
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Gotti
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Keppel
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Nagorny
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - M Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Nisi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D Orlandi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - L Pagnanini
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - M Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - L Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Pettinacci
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - A Puiu
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - C Rusconi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - M Vignati
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - A S Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
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Borghesi M, Faverzani M, Ferrari C, Ferri E, Giachero A, Nucciotti A, Origo L. The matrix optimum filter for low temperature detectors dead-time reduction. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2022; 82:421. [PMID: 35572034 PMCID: PMC9090876 DOI: 10.1140/epjc/s10052-022-10379-w] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/12/2022] [Accepted: 05/02/2022] [Indexed: 06/15/2023]
Abstract
Experiments aiming at high sensitivities usually demand for a very high statistics in order to reach more precise measurements. However, for those exploiting Low Temperature Detectors (LTDs), a high source activity may represent a drawback, if the events rate becomes comparable with the detector characteristic temporal response. Indeed, since commonly used optimum filtering approaches can only process LTDs signals well isolated in time, a non-negligible part of the recorded experimental data-set is discarded and hence constitute the dead-time. In the presented study we demonstrate that, thanks to the matrix optimum filtering approach, the dead-time of an experiment exploiting LTDs can be strongly reduced.
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Affiliation(s)
- Matteo Borghesi
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - Marco Faverzani
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - Cecilia Ferrari
- Gran Sasso Science Institute (GSSI), 67100 L’Aquila, Italy
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - Elena Ferri
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - Andrea Giachero
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - Angelo Nucciotti
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - Luca Origo
- Dipartimento di Fisica “G. Occhialini”, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
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7
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Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE. Nature 2022; 604:53-58. [PMID: 35388194 PMCID: PMC8986534 DOI: 10.1038/s41586-022-04497-4] [Citation(s) in RCA: 11] [Impact Index Per Article: 5.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/14/2021] [Accepted: 02/01/2022] [Indexed: 11/16/2022]
Abstract
The possibility that neutrinos may be their own antiparticles, unique among the known fundamental particles, arises from the symmetric theory of fermions proposed by Ettore Majorana in 19371. Given the profound consequences of such Majorana neutrinos, among which is a potential explanation for the matter–antimatter asymmetry of the universe via leptogenesis2, the Majorana nature of neutrinos commands intense experimental scrutiny globally; one of the primary experimental probes is neutrinoless double beta (0νββ) decay. Here we show results from the search for 0νββ decay of 130Te, using the latest advanced cryogenic calorimeters with the CUORE experiment3. CUORE, operating just 10 millikelvin above absolute zero, has pushed the state of the art on three frontiers: the sheer mass held at such ultralow temperatures, operational longevity, and the low levels of ionizing radiation emanating from the cryogenic infrastructure. We find no evidence for 0νββ decay and set a lower bound of the process half-life as 2.2 × 1025 years at a 90 per cent credibility interval. We discuss potential applications of the advances made with CUORE to other fields such as direct dark matter, neutrino and nuclear physics searches and large-scale quantum computing, which can benefit from sustained operation of large payloads in a low-radioactivity, ultralow-temperature cryogenic environment. The CUORE experiment finds no evidence for neutrinoless double beta decay after operating a large cryogenic TeO2 calorimeter stably for several years in an extreme low-radiation environment at a temperature of 10 millikelvin.
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Azzolini O, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Chiesa D, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, Dafinei I, D’Addabbo A, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. Background identification in cryogenic calorimeters through α - α delayed coincidences. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2021; 81:722. [PMID: 34720725 PMCID: PMC8550008 DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09476-z] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/10/2021] [Accepted: 07/22/2021] [Indexed: 06/13/2023]
Abstract
Localization and modeling of radioactive contaminations is a challenge that ultra-low background experiments are constantly facing. These are fundamental steps both to extract scientific results and to further reduce the background of the detectors. Here we present an innovative technique based on the analysis of α - α delayed coincidences in 232 Th and 238 U decay chains, developed to investigate the contaminations of the ZnSe crystals in the CUPID-0 experiment. This method allows to disentangle surface and bulk contaminations of the detectors relying on the different probability to tag delayed coincidences as function of the α decay position.
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Affiliation(s)
- O. Azzolini
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - J. W. Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- Present Address: : Physics Department, University of California, Berkeley, CA 94720 USA
| | - M. Biassoni
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Bucci
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | | | - P. Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - N. Casali
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - D. Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - O. Cremonesi
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | | | | | - A. D’Addabbo
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN-Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - F. Ferroni
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - P. Gorla
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Keppel
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - M. Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Present Address: : Fundación ARAID and Laboratorio de Física Nuclear y Astropartículas, Universidad de Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain
| | - S. Nagorny
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
- Present Address: : Physics Department, Queen’s University, Kingston, ON K7L 3N6 Canada
| | - M. Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nisi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D. Orlandi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - L. Pagnanini
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN-Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - L. Pattavina
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Pessina
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | | | - S. Pirro
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - S. Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
| | - A. Puiu
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Rusconi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - K. Schäffner
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67100 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Tomei
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | | | - A. Zolotarova
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
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Abstract
Inorganic crystal scintillators play a crucial role in particle detection for various applications in fundamental physics and applied science. The use of such materials as scintillating bolometers, which operate at temperatures as low as 10 mK and detect both heat (phonon) and scintillation signals, significantly extends detectors performance compared to the conventional scintillation counters. In particular, such low-temperature devices offer a high energy resolution in a wide energy interval thanks to a phonon signal detection, while a simultaneous registration of scintillation emitted provides an efficient particle identification tool. This feature is of great importance for a background identification and rejection. Combined with a large variety of elements of interest, which can be embedded in crystal scintillators, scintillating bolometers represent powerful particle detectors for rare-event searches (e.g., rare alpha and beta decays, double-beta decay, dark matter particles, neutrino detection). Here, we review the features and results of low-temperature scintillation detection achieved over a 30-year history of developments of scintillating bolometers and their use in rare-event search experiments.
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Armengaud E, Augier C, Barabash AS, Bellini F, Benato G, Benoît A, Beretta M, Bergé L, Billard J, Borovlev YA, Bourgeois C, Brudanin VB, Camus P, Cardani L, Casali N, Cazes A, Chapellier M, Charlieux F, Chiesa D, de Combarieu M, Dafinei I, Danevich FA, De Jesus M, Dixon T, Dumoulin L, Eitel K, Ferri F, Fujikawa BK, Gascon J, Gironi L, Giuliani A, Grigorieva VD, Gros M, Guerard E, Helis DL, Huang HZ, Huang R, Johnston J, Juillard A, Khalife H, Kleifges M, Kobychev VV, Kolomensky YG, Konovalov SI, Leder A, Loaiza P, Ma L, Makarov EP, de Marcillac P, Mariam R, Marini L, Marnieros S, Misiak D, Navick XF, Nones C, Norman EB, Novati V, Olivieri E, Ouellet JL, Pagnanini L, Pari P, Pattavina L, Paul B, Pavan M, Peng H, Pessina G, Pirro S, Poda DV, Polischuk OG, Pozzi S, Previtali E, Redon T, Rojas A, Rozov S, Rusconi C, Sanglard V, Scarpaci JA, Schäffner K, Schmidt B, Shen Y, Shlegel VN, Siebenborn B, Singh V, Tomei C, Tretyak VI, Umatov VI, Vagneron L, Velázquez M, Welliver B, Winslow L, Xue M, Yakushev E, Zarytskyy M, Zolotarova AS. New Limit for Neutrinoless Double-Beta Decay of ^{100}Mo from the CUPID-Mo Experiment. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2021; 126:181802. [PMID: 34018798 DOI: 10.1103/physrevlett.126.181802] [Citation(s) in RCA: 5] [Impact Index Per Article: 1.7] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/26/2020] [Revised: 02/02/2021] [Accepted: 04/05/2021] [Indexed: 06/12/2023]
Abstract
The CUPID-Mo experiment at the Laboratoire Souterrain de Modane (France) is a demonstrator for CUPID, the next-generation ton-scale bolometric 0νββ experiment. It consists of a 4.2 kg array of 20 enriched Li_{2}^{100}MoO_{4} scintillating bolometers to search for the lepton-number-violating process of 0νββ decay in ^{100}Mo. With more than one year of operation (^{100}Mo exposure of 1.17 kg×yr for physics data), no event in the region of interest and, hence, no evidence for 0νββ is observed. We report a new limit on the half-life of 0νββ decay in ^{100}Mo of T_{1/2}>1.5×10^{24} yr at 90% C.I. The limit corresponds to an effective Majorana neutrino mass ⟨m_{ββ}⟩<(0.31-0.54) eV, dependent on the nuclear matrix element in the light Majorana neutrino exchange interpretation.
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Affiliation(s)
- E Armengaud
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - C Augier
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - A S Barabash
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - G Benato
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - A Benoît
- CNRS-Néel, 38042 Grenoble Cedex 9, France
| | - M Beretta
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Bergé
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - J Billard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - Yu A Borovlev
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - Ch Bourgeois
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - V B Brudanin
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow region, Russia
| | - P Camus
- CNRS-Néel, 38042 Grenoble Cedex 9, France
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - A Cazes
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - M Chapellier
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - F Charlieux
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M de Combarieu
- IRAMIS, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - F A Danevich
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - M De Jesus
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - T Dixon
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Dumoulin
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - K Eitel
- Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Astroparticle Physics, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - F Ferri
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - B K Fujikawa
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Gascon
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - V D Grigorieva
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - M Gros
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E Guerard
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - D L Helis
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - H Z Huang
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - R Huang
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Johnston
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - A Juillard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - H Khalife
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - M Kleifges
- Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Data Processing and Electronics, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - V V Kobychev
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - Yu G Kolomensky
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S I Konovalov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - A Leder
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - P Loaiza
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - L Ma
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - E P Makarov
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - P de Marcillac
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - R Mariam
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - L Marini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S Marnieros
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - D Misiak
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - X-F Navick
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E B Norman
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - V Novati
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - E Olivieri
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - J L Ouellet
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - L Pagnanini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, I-67100 L'Aquila, Italy
| | - P Pari
- IRAMIS, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - L Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Physik Department, Technische Universität München, Garching D-85748, Germany
| | - B Paul
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - H Peng
- Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, People's Republic of China
| | - G Pessina
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - D V Poda
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - O G Polischuk
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - S Pozzi
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN, Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - Th Redon
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - A Rojas
- LSM, Laboratoire Souterrain de Modane, 73500 Modane, France
| | - S Rozov
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow region, Russia
| | - C Rusconi
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - V Sanglard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - J A Scarpaci
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
| | - K Schäffner
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - B Schmidt
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - Y Shen
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-beam Application (MOE), Fudan University, Shanghai 200433, People's Republic of China
| | - V N Shlegel
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - B Siebenborn
- Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Astroparticle Physics, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - V Singh
- University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, I-00185 Rome, Italy
| | - V I Tretyak
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - V I Umatov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - L Vagneron
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IP2I-Lyon, F-69622 Villeurbanne, France
| | - M Velázquez
- Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, SIMAP, 38402 Saint Martin d'Héres, France
| | - B Welliver
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Winslow
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - M Xue
- Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, People's Republic of China
| | - E Yakushev
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow region, Russia
| | - M Zarytskyy
- Institute for Nuclear Research of NASU, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - A S Zolotarova
- Université Paris-Saclay, CNRS/IN2P3, IJCLab, 91405 Orsay, France
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11
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Agostini M, Araujo G, Bakalyarov AM, Balata M, Barabanov I, Baudis L, Bauer C, Bellotti E, Belogurov S, Bettini A, Bezrukov L, Biancacci V, Bossio E, Bothe V, Brudanin V, Brugnera R, Caldwell A, Cattadori C, Chernogorov A, Comellato T, D’Andrea V, Demidova EV, Marco ND, Doroshkevich E, Fischer F, Fomina M, Gangapshev A, Garfagnini A, Gooch C, Grabmayr P, Gurentsov V, Gusev K, Hakenmüller J, Hemmer S, Hiller R, Hofmann W, Huang J, Hult M, Inzhechik LV, Csáthy JJ, Jochum J, Junker M, Kazalov V, Kermaïdic Y, Khushbakht H, Kihm T, Kirpichnikov IV, Klimenko A, Kneißl R, Knöpfle KT, Kochetov O, Kornoukhov VN, Krause P, Kuzminov VV, Laubenstein M, Lindner M, Lippi I, Lubashevskiy A, Lubsandorzhiev B, Lutter G, Macolino C, Majorovits B, Maneschg W, Manzanillas L, Miloradovic M, Mingazheva R, Misiaszek M, Moseev P, Müller Y, Nemchenok I, Pandola L, Pelczar K, Pertoldi L, Piseri P, Pullia A, Ransom C, Rauscher L, Riboldi S, Rumyantseva N, Sada C, Salamida F, Schönert S, Schreiner J, Schütt M, Schütz AK, Schulz O, Schwarz M, Schwingenheuer B, Selivanenko O, Shevchik E, Shirchenko M, Shtembari L, Simgen H, Smolnikov A, Stukov D, Vasenko AA, Veresnikova A, Vignoli C, von Sturm K, Wester T, Wiesinger C, Wojcik M, Yanovich E, Zatschler B, Zhitnikov I, Zhukov SV, Zinatulina D, Zschocke A, Zsigmond AJ, Zuber K, Zuzel G. Calibration of the Gerda experiment. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2021; 81:682. [PMID: 34776783 PMCID: PMC8550656 DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09403-2] [Citation(s) in RCA: 5] [Impact Index Per Article: 1.7] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/26/2021] [Accepted: 07/01/2021] [Indexed: 05/16/2023]
Abstract
The GERmanium Detector Array (Gerda) collaboration searched for neutrinoless double- β decay in 76 Ge with an array of about 40 high-purity isotopically-enriched germanium detectors. The experimental signature of the decay is a monoenergetic signal at Q β β = 2039.061 ( 7 ) keV in the measured summed energy spectrum of the two emitted electrons. Both the energy reconstruction and resolution of the germanium detectors are crucial to separate a potential signal from various backgrounds, such as neutrino-accompanied double- β decays allowed by the Standard Model. The energy resolution and stability were determined and monitored as a function of time using data from regular 228 Th calibrations. In this work, we describe the calibration process and associated data analysis of the full Gerda dataset, tailored to preserve the excellent resolution of the individual germanium detectors when combining data over several years.
Collapse
Affiliation(s)
- M. Agostini
- Department of Physics and Astronomy, University College London, London, UK
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - G. Araujo
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | | | - M. Balata
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, Assergi, Italy
| | - I. Barabanov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - L. Baudis
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - C. Bauer
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - E. Bellotti
- Dipartimento di Fisica, Università Milano Bicocca, Milan, Italy
- INFN Milano Bicocca, Milan, Italy
| | - S. Belogurov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
- NRNU MEPhI, Moscow, Russia
| | - A. Bettini
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - L. Bezrukov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - V. Biancacci
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - E. Bossio
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - V. Bothe
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - V. Brudanin
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
| | - R. Brugnera
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - A. Caldwell
- Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | | | - A. Chernogorov
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
- National Research Centre “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - T. Comellato
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - V. D’Andrea
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Università degli Studi dell’Aquila, L’Aquila, Italy
| | - E. V. Demidova
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - N. Di Marco
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, Assergi, Italy
| | - E. Doroshkevich
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - F. Fischer
- Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | - M. Fomina
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
| | - A. Gangapshev
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - A. Garfagnini
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - C. Gooch
- Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | - P. Grabmayr
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | - V. Gurentsov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - K. Gusev
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
- National Research Centre “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | | | | | - R. Hiller
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - W. Hofmann
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - J. Huang
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - M. Hult
- European Commission, JRC-Geel, Geel, Belgium
| | - L. V. Inzhechik
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
- Moscow Inst. of Physics and Technology, Moscow, Russia
| | - J. Janicskó Csáthy
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
- Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, Berlin, Germany
| | - J. Jochum
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | - M. Junker
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, Assergi, Italy
| | - V. Kazalov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - Y. Kermaïdic
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - H. Khushbakht
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | - T. Kihm
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - I. V. Kirpichnikov
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - A. Klimenko
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
- Dubna State University, Dubna, Russia
| | - R. Kneißl
- Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | - K. T. Knöpfle
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - O. Kochetov
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
| | - V. N. Kornoukhov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - P. Krause
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - V. V. Kuzminov
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - M. Laubenstein
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, Assergi, Italy
| | - M. Lindner
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | | | | | - B. Lubsandorzhiev
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - G. Lutter
- European Commission, JRC-Geel, Geel, Belgium
| | - C. Macolino
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Università degli Studi dell’Aquila, L’Aquila, Italy
| | | | - W. Maneschg
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | | | - M. Miloradovic
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - R. Mingazheva
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - M. Misiaszek
- Institute of Physics, Jagiellonian University, Kraków, Poland
| | - P. Moseev
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - Y. Müller
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - I. Nemchenok
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
- Dubna State University, Dubna, Russia
| | - L. Pandola
- INFN Laboratori Nazionali del Sud, Catania, Italy
| | - K. Pelczar
- Institute of Physics, Jagiellonian University, Kraków, Poland
- European Commission, JRC-Geel, Geel, Belgium
| | - L. Pertoldi
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - P. Piseri
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano and INFN Milano, Milan, Italy
| | - A. Pullia
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano and INFN Milano, Milan, Italy
| | - C. Ransom
- Physik-Institut, Universität Zürich, Zurich, Switzerland
| | - L. Rauscher
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | - S. Riboldi
- Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano and INFN Milano, Milan, Italy
| | - N. Rumyantseva
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
- National Research Centre “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - C. Sada
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - F. Salamida
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Università degli Studi dell’Aquila, L’Aquila, Italy
| | - S. Schönert
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - J. Schreiner
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - M. Schütt
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - A-K. Schütz
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | - O. Schulz
- Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | - M. Schwarz
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | | | - O. Selivanenko
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - E. Shevchik
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
| | | | | | - H. Simgen
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - A. Smolnikov
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
- Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany
| | - D. Stukov
- National Research Centre “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - A. A. Vasenko
- Institute for Theoretical and Experimental Physics, NRC “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | - A. Veresnikova
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - C. Vignoli
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, Assergi, Italy
| | - K. von Sturm
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Padova, Padua, Italy
- INFN Padova, Padua, Italy
| | - T. Wester
- Institut für Kern- und Teilchenphysik, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
| | - C. Wiesinger
- Physik Department, Technische Universität München, Munich, Germany
| | - M. Wojcik
- Institute of Physics, Jagiellonian University, Kraków, Poland
| | - E. Yanovich
- Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
| | - B. Zatschler
- Institut für Kern- und Teilchenphysik, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
| | - I. Zhitnikov
- Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
| | - S. V. Zhukov
- National Research Centre “Kurchatov Institute”, Moscow, Russia
| | | | - A. Zschocke
- Physikalisches Institut, Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen, Germany
| | | | - K. Zuber
- Institut für Kern- und Teilchenphysik, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany
| | - G. Zuzel
- Institute of Physics, Jagiellonian University, Kraków, Poland
| | | |
Collapse
|
12
|
Adams DQ, Alduino C, Alfonso K, Avignone FT, Azzolini O, Bari G, Bellini F, Benato G, Biassoni M, Branca A, Brofferio C, Bucci C, Caminata A, Campani A, Canonica L, Cao XG, Capelli S, Cappelli L, Cardani L, Carniti P, Casali N, Chiesa D, Chott N, Clemenza M, Copello S, Cosmelli C, Cremonesi O, Creswick RJ, D'Addabbo A, D'Aguanno D, Dafinei I, Davis CJ, Dell'Oro S, Di Domizio S, Dompè V, Fang DQ, Fantini G, Faverzani M, Ferri E, Ferroni F, Fiorini E, Franceschi MA, Freedman SJ, Fujikawa BK, Giachero A, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Gutierrez TD, Han K, Heeger KM, Huang RG, Huang HZ, Johnston J, Keppel G, Kolomensky YG, Ligi C, Ma YG, Ma L, Marini L, Maruyama RH, Mei Y, Moggi N, Morganti S, Napolitano T, Nastasi M, Nikkel J, Nones C, Norman EB, Novati V, Nucciotti A, Nutini I, O'Donnell T, Ouellet JL, Pagliarone CE, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pira C, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rosenfeld C, Rusconi C, Sakai M, Sangiorgio S, Schmidt B, Scielzo ND, Sharma V, Singh V, Sisti M, Speller D, Surukuchi PT, Taffarello L, Terranova F, Tomei C, Vignati M, Wagaarachchi SL, Wang BS, Welliver B, Wilson J, Wilson K, Winslow LA, Zanotti L, Zimmermann S, Zucchelli S. Improved Limit on Neutrinoless Double-Beta Decay in ^{130} Te with CUORE. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2020; 124:122501. [PMID: 32281829 DOI: 10.1103/physrevlett.124.122501] [Citation(s) in RCA: 19] [Impact Index Per Article: 4.8] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/23/2019] [Revised: 02/11/2020] [Accepted: 02/27/2020] [Indexed: 06/11/2023]
Abstract
We report new results from the search for neutrinoless double-beta decay in ^{130} Te with the CUORE detector. This search benefits from a fourfold increase in exposure, lower trigger thresholds, and analysis improvements relative to our previous results. We observe a background of (1.38±0.07)×10^{-2} counts/(keV kg yr)) in the 0νββ decay region of interest and, with a total exposure of 372.5 kg yr, we attain a median exclusion sensitivity of 1.7×10^{25} yr. We find no evidence for 0νββ decay and set a 90% credibility interval Bayesian lower limit of 3.2×10^{25} yr on the ^{130} Te half-life for this process. In the hypothesis that 0νββ decay is mediated by light Majorana neutrinos, this results in an upper limit on the effective Majorana mass of 75-350 meV, depending on the nuclear matrix elements used.
Collapse
Affiliation(s)
- D Q Adams
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - C Alduino
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Alfonso
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - F T Avignone
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - O Azzolini
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - G Bari
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - G Benato
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Biassoni
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Branca
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Brofferio
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Bucci
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - A Caminata
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - A Campani
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - L Canonica
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - X G Cao
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-Beam Application (MOE), Institute of Modern Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China
| | - S Capelli
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Cappelli
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Cardani
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - P Carniti
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - N Casali
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - D Chiesa
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - N Chott
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - M Clemenza
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Copello
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - C Cosmelli
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - R J Creswick
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - A D'Addabbo
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - D D'Aguanno
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - I Dafinei
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - C J Davis
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - S Dell'Oro
- Center for Neutrino Physics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061, USA
| | - S Di Domizio
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - V Dompè
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - D Q Fang
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-Beam Application (MOE), Institute of Modern Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China
| | - G Fantini
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - M Faverzani
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Ferri
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F Ferroni
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
- Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - E Fiorini
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M A Franceschi
- INFN-Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - S J Freedman
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B K Fujikawa
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Giachero
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Gironi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - P Gorla
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - C Gotti
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - T D Gutierrez
- Physics Department, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, California 93407, USA
| | - K Han
- INPAC and School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University; Shanghai Laboratory for Particle Physics and Cosmology, Shanghai 200240, China
| | - K M Heeger
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - R G Huang
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - H Z Huang
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - J Johnston
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - G Keppel
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - Yu G Kolomensky
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - C Ligi
- INFN-Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - Y G Ma
- Key Laboratory of Nuclear Physics and Ion-Beam Application (MOE), Institute of Modern Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China
| | - L Ma
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - L Marini
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - R H Maruyama
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - Y Mei
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - N Moggi
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - S Morganti
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - T Napolitano
- INFN-Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - M Nastasi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - J Nikkel
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - C Nones
- Service de Physique des Particules, CEA/Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E B Norman
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - V Novati
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Universit Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - A Nucciotti
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - I Nutini
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - T O'Donnell
- Center for Neutrino Physics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061, USA
| | - J L Ouellet
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - C E Pagliarone
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - L Pagnanini
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Pallavicini
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - L Pattavina
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Pavan
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - G Pessina
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | | | - C Pira
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - S Pirro
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - S Pozzi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Previtali
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Puiu
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Rosenfeld
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - C Rusconi
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Sakai
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - S Sangiorgio
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - B Schmidt
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - N D Scielzo
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - V Sharma
- Center for Neutrino Physics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061, USA
| | - V Singh
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - M Sisti
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - D Speller
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - P T Surukuchi
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | | | - F Terranova
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Tomei
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - M Vignati
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S L Wagaarachchi
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B S Wang
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - B Welliver
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Wilson
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Wilson
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - L A Winslow
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - L Zanotti
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Zimmermann
- Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S Zucchelli
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| |
Collapse
|
13
|
Azzolini O, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Chiesa D, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, Dafinei I, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Kotila J, Martinez M, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. Evidence of Single State Dominance in the Two-Neutrino Double-β Decay of ^{82}Se with CUPID-0. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2019; 123:262501. [PMID: 31951429 DOI: 10.1103/physrevlett.123.262501] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 1.8] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/09/2019] [Indexed: 06/10/2023]
Abstract
We report on the measurement of the two-neutrino double-β decay of ^{82}Se performed for the first time with cryogenic calorimeters, in the framework of the CUPID-0 experiment. With an exposure of 9.95 kg yr of Zn^{82}Se, we determine the two-neutrino double-β decay half-life of ^{82}Se with an unprecedented precision level, T_{1/2}^{2ν}=[8.60±0.03(stat) _{-0.13}^{+0.19}(syst)]×10^{19} yr. The very high signal-to-background ratio, along with the detailed reconstruction of the background sources allowed us to identify the single state dominance as the underlying mechanism of such a process, demonstrating that the higher state dominance hypothesis is disfavored at the level of 5.5σ.
Collapse
Affiliation(s)
- O Azzolini
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Padua), Italy
| | - J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - M Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Biassoni
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Bucci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - L Cardani
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - N Casali
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Cruciani
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - I Dafinei
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - S Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - F Ferroni
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- CSNSM, Université Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - P Gorla
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - C Gotti
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Keppel
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Padua), Italy
| | - J Kotila
- Finnish Institute for Educational Research, University of Jyväskylä, P.O. Box 35, FI-40014 Jyväskylä, Finland
- Center for Theoretical Physics, Sloane Physics Laboratory, Yale University, New Haven, Connecticut 06520-8120, USA
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - S Nagorny
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - M Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Nisi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D Orlandi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - L Pagnanini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - L Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Pettinacci
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - S Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano - Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Rusconi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67010 Assergi (L'Aquila), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - C Tomei
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - M Vignati
- INFN Sezione di Roma, Piazzale Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - A Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
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Collapse
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14
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Azzolini O, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Chiesa D, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, Dafinei I, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova AS. Final Result of CUPID-0 Phase-I in the Search for the ^{82}Se Neutrinoless Double-β Decay. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2019; 123:032501. [PMID: 31386478 DOI: 10.1103/physrevlett.123.032501] [Citation(s) in RCA: 21] [Impact Index Per Article: 4.2] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/17/2019] [Revised: 06/10/2019] [Indexed: 06/10/2023]
Abstract
CUPID-0 is the first pilot experiment of CUPID, a next-generation project for the measurement of neutrinoless double beta decay (0νDBD) with scintillating bolometers. The detector, consisting of 24 enriched and 2 natural ZnSe crystals, has been taking data at Laboratori Nazionali del Gran Sasso from June 2017 to December 2018, collecting a ^{82}Se exposure of 5.29 kg×yr. In this Letter we present the phase-I results in the search for 0νDBD. We demonstrate that the technology implemented by CUPID-0 allows us to reach the lowest background for calorimetric experiments: (3.5_{-0.9}^{+1.0})×10^{-3} counts/(keV kg yr). Monitoring 3.88×10^{25} ^{82}Se nuclei×yr we reach a 90% credible interval median sensitivity of T_{1/2}^{0ν}>5.0×10^{24} yr and set the most stringent limit on the half-life of ^{82}Se 0νDBD: T_{1/2}^{0ν}>3.5×10^{24} yr (90% credible interval), corresponding to m_{ββ}<(311-638) meV depending on the nuclear matrix element calculations.
Collapse
Affiliation(s)
- O Azzolini
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - M Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Biassoni
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Bucci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Cruciani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - S Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - F Ferroni
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DISAT, Università dell'Insubria, 22100 Como, Italy
| | - P Gorla
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Keppel
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - S Nagorny
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - M Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Nisi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D Orlandi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - L Pagnanini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - L Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Pettinacci
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - S Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano-Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Rusconi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100, L'Aquila, Italy
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - M Vignati
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185, Roma, Italy
| | - A S Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
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Collapse
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15
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Result on the Neutrinoless Double Beta Decay Search of 82Se with the CUPID-0 Experiment. UNIVERSE 2018. [DOI: 10.3390/universe5010002] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/17/2022]
Abstract
CUPID-0 is the first large array of scintillating Zn 82 Se cryogenic calorimeters (bolometers) implementing particle identification for the search of the neutrinoless double beta decay (0 ν β β ). The detector consists of 24 enriched Zn 82 Se bolometers for a total 82 Se mass of 5.28 kg and it has been taking data in the underground LNGS (Italy) since March 2017. In this article we show how the dual read-out provides a powerful tool for the α particles rejection. The simultaneous use of the heat and light information allows us to reduce the background down to (3.2 − 1.1 + 1.3 )×10 − 3 counts/(keV kg year), an unprecedented level for cryogenic calorimeters. In a total exposure of 5.46 kg year Zn 82 Se we set the most stringent limit on the 0 ν β β decay 82 Se half-life T 1 / 2 0 ν > 4.0 × 10 24 year at 90% C.I.
Collapse
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16
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Azzolini O, Barrera MT, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Bossio E, Brofferio C, Bucci C, Canonica L, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Cassina L, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, D’Addabbo A, Dafinei I, Domizio SD, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Morganti S, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. Search of the neutrino-less double beta decay of 82 Se into the excited states of 82 Kr with CUPID-0. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2018; 78:888. [PMID: 30881205 PMCID: PMC6394250 DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6340-9] [Citation(s) in RCA: 2] [Impact Index Per Article: 0.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/02/2018] [Accepted: 10/13/2018] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
The CUPID-0 experiment searches for double beta decay using cryogenic calorimeters with double (heat and light) read-out. The detector, consisting of 24 ZnSe crystals 95 % enriched in 82 Se and two natural ZnSe crystals, started data-taking in 2017 at Laboratori Nazionali del Gran Sasso. We present the search for the neutrino-less double beta decay of 82 Se into the 0 1 + , 2 1 + and 2 2 + excited states of 82 Kr with an exposure of 5.74 kg · yr (2.24 × 10 25 emitters · yr). We found no evidence of the decays and set the most stringent limits on the widths of these processes: Γ ( 82 Se → 82 Kr 0 1 + )8.55 × 10 - 24 yr - 1 , Γ ( 82 Se → 82 Kr 2 1 + ) < 6.25 × 10 - 24 yr - 1 , Γ ( 82 Se → 82 Kr 2 2 + )8.25 × 10 - 24 yr - 1 (90 % credible interval).
Collapse
Affiliation(s)
- O. Azzolini
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padova Italy
| | - M. T. Barrera
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padova Italy
| | - J. W. Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Biassoni
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Bossio
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Canonica
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Present Address: Max-Planck-Institut für Physik, 80805 Munich, Germany
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - L. Cardani
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - P. Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - N. Casali
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - O. Cremonesi
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | | | - A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - I. Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Keppel
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padova Italy
| | - M. Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Present Address: Fundacion ARAID and U. Zaragoza, C/ Pedro Cerbuna 12, 50009 Zaragoza, Spain
| | | | - S. Nagorny
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
- Present Address: Queen’s University, Kingston, ON K7L 3N6 Canada
| | - M. Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nisi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D. Orlandi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Pagnanini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - V. Palmieri
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padova Italy
| | - L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
- Present Address: Physik Department, Technische Universität München, D85748 Garching, Germany
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Pessina
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - V. Pettinacci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - S. Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Previtali
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Rusconi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - K. Schäffner
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Tomei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Vignati
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - A. Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
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Azzolini O, Barrera MT, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Bossio E, Brofferio C, Bucci C, Canonica L, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Cassina L, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, D’Addabbo A, Dafinei I, Domizio SD, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Morganti S, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. Analysis of cryogenic calorimeters with light and heat read-out for double beta decay searches. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2018; 78:734. [PMID: 30839752 PMCID: PMC6190965 DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6202-5] [Citation(s) in RCA: 13] [Impact Index Per Article: 2.2] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/05/2018] [Accepted: 08/28/2018] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
The suppression of spurious events in the region of interest for neutrinoless double beta decay will play a major role in next generation experiments. The background of detectors based on the technology of cryogenic calorimeters is expected to be dominated by α particles, that could be disentangled from double beta decay signals by exploiting the difference in the emission of the scintillation light. CUPID-0, an array of enriched Zn 82 Se scintillating calorimeters, is the first large mass demonstrator of this technology. The detector started data-taking in 2017 at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso with the aim of proving that dual read-out of light and heat allows for an efficient suppression of the α background. In this paper we describe the software tools we developed for the analysis of scintillating calorimeters and we demonstrate that this technology allows to reach an unprecedented background for cryogenic calorimeters.
Collapse
Affiliation(s)
- O. Azzolini
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - M. T. Barrera
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - J. W. Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Biassoni
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Bossio
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - C. Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Canonica
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Present Address: Max-Planck-Institut für Physik, 80805 Munich, Germany
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - L. Cardani
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - P. Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - N. Casali
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - O. Cremonesi
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | | | - A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- GSSI, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - I. Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Keppel
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - M. Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Present Address: Universidad de Zaragoza, 50009 Zaragoza, Spain
| | | | - S. Nagorny
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- GSSI, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
- Present Address: Queen’s University, Kingston, ON K7L 3N6 Canada
| | - M. Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nisi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D. Orlandi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Pagnanini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - V. Palmieri
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- GSSI, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Pessina
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - V. Pettinacci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - S. Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Previtali
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Rusconi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - K. Schäffner
- GSSI, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Tomei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Vignati
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - A. Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
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Azzolini O, Barrera MT, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Canonica L, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Cassina L, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, D'Addabbo A, Dafinei I, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Marini L, Martinez M, Morganti S, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Reindl F, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova AS. First Result on the Neutrinoless Double-β Decay of ^{82}Se with CUPID-0. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2018; 120:232502. [PMID: 29932707 DOI: 10.1103/physrevlett.120.232502] [Citation(s) in RCA: 10] [Impact Index Per Article: 1.7] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/21/2018] [Revised: 04/16/2018] [Indexed: 06/08/2023]
Abstract
We report the result of the search for neutrinoless double beta decay of ^{82}Se obtained with CUPID-0, the first large array of scintillating Zn^{82}Se cryogenic calorimeters implementing particle identification. We observe no signal in a 1.83 kg yr ^{82}Se exposure, and we set the most stringent lower limit on the 0νββ ^{82}Se half-life T_{1/2}^{0ν}>2.4×10^{24} yr (90% credible interval), which corresponds to an effective Majorana neutrino mass m_{ββ}<(376-770) meV depending on the nuclear matrix element calculations. The heat-light readout provides a powerful tool for the rejection of α particles and allows us to suppress the background in the region of interest down to (3.6_{-1.4}^{+1.9})×10^{-3} counts/(keV kg yr), an unprecedented level for this technique.
Collapse
Affiliation(s)
- O Azzolini
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - M T Barrera
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - J W Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - M Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Biassoni
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - C Bucci
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - L Canonica
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - L Cardani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - P Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - N Casali
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - L Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Cruciani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - A D'Addabbo
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - I Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - F Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Giuliani
- CNRS/CSNSM, Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière, 91405 Orsay, France
- DISAT, Università dell'Insubria, 22100 Como, Italy
| | - P Gorla
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Keppel
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - L Marini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Morganti
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Nagorny
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - M Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - S Nisi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - C Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D Orlandi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - L Pagnanini
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - M Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, I-16146 Genova, Italy
- INFN Sezione di Genova, I-16146 Genova, Italy
| | - V Palmieri
- INFN Laboratori Nazionali di Legnaro, I-35020 Legnaro (Pd), Italy
| | - L Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - G Pessina
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - V Pettinacci
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - S Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - E Previtali
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - A Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
- INFN Sezione di Milano Bicocca, I-20126 Milano, Italy
| | - F Reindl
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - C Rusconi
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, I-67100 Assergi (AQ), Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L'Aquila, Italy
| | - C Tomei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - M Vignati
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Roma, Italy
| | - A S Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
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19
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Azzolini O, Barrera MT, Beeman JW, Bellini F, Beretta M, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Canonica L, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Cassina L, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, D’Addabbo A, Dafinei I, Domizio SD, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Keppel G, Martinez M, Morganti S, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Reindl F, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. CUPID-0: the first array of enriched scintillating bolometers for 0 ν β β decay investigations. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2018; 78:428. [PMID: 30996670 PMCID: PMC6435222 DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-5896-8] [Citation(s) in RCA: 14] [Impact Index Per Article: 2.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/01/2018] [Accepted: 05/14/2018] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
The CUPID-0 detector hosted at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Italy, is the first large array of enriched scintillating cryogenic detectors for the investigation of82 Se neutrinoless double-beta decay ( 0 ν β β ). CUPID-0 aims at measuring a background index in the region of interest (RoI) for 0 ν β β at the level of 10- 3 counts/(keV kg years), the lowest value ever measured using cryogenic detectors. CUPID-0 operates an array of Zn82 Se scintillating bolometers coupled with bolometric light detectors, with a state of the art technology for background suppression and thorough protocols and procedures for the detector preparation and construction. In this paper, the different phases of the detector design and construction will be presented, from the material selection (for the absorber production) to the new and innovative detector structure. The successful construction of the detector lead to promising preliminary detector performance which is discussed here.
Collapse
Affiliation(s)
- O. Azzolini
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - M. T. Barrera
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - J. W. Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Beretta
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Biassoni
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Bucci
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Canonica
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139 USA
- Present Address: Max-Planck-Institut fur Physik, 80805 Munich, Germany
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - L. Cardani
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - P. Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - N. Casali
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - O. Cremonesi
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Cruciani
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - A. D’Addabbo
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - I. Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - P. Gorla
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Keppel
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - M. Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | | | - S. Nagorny
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nisi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - C. Nones
- CEA-Saclay, DSM/IRFU, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
| | - D. Orlandi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - L. Pagnanini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN, Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - V. Palmieri
- INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro, Padua Italy
| | - L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Pessina
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - V. Pettinacci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
| | - S. Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Previtali
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - F. Reindl
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Institut fur Hochenergiephysik der AW, 1050 Wien, Austria
- Atominstitut, Technical University Vienna, 1020 Wien, Austria
| | - C. Rusconi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - K. Schäffner
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, 67010 L’Aquila, Italy
- Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Tomei
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Vignati
- INFN, Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - A. Zolotarova
- CEA-Saclay, DSM/IRFU, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
| |
Collapse
|
20
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Alduino C, Alessandria F, Alfonso K, Andreotti E, Arnaboldi C, Avignone FT, Azzolini O, Balata M, Bandac I, Banks TI, Bari G, Barucci M, Beeman JW, Bellini F, Benato G, Bersani A, Biare D, Biassoni M, Bragazzi F, Branca A, Brofferio C, Bryant A, Buccheri A, Bucci C, Bulfon C, Camacho A, Caminata A, Canonica L, Cao XG, Capelli S, Capodiferro M, Cappelli L, Cardani L, Cariello M, Carniti P, Carrettoni M, Casali N, Cassina L, Cereseto R, Ceruti G, Chiarini A, Chiesa D, Chott N, Clemenza M, Conventi D, Copello S, Cosmelli C, Cremonesi O, Crescentini C, Creswick RJ, Cushman JS, D'Addabbo A, D'Aguanno D, Dafinei I, Datskov V, Davis CJ, Del Corso F, Dell'Oro S, Deninno MM, Di Domizio S, Di Vacri ML, Di Paolo L, Drobizhev A, Ejzak L, Faccini R, Fang DQ, Faverzani M, Ferri E, Ferroni F, Fiorini E, Franceschi MA, Freedman SJ, Fujikawa BK, Gaigher R, Giachero A, Gironi L, Giuliani A, Gladstone L, Goett J, Gorla P, Gotti C, Guandalini C, Guerzoni M, Gutierrez TD, Haller EE, Han K, Hansen EV, Heeger KM, Hennings-Yeomans R, Hickerson KP, Huang HZ, Iannone M, Ioannucci L, Kadel R, Keppel G, Kogler L, Kolomensky YG, Leder A, Ligi C, Lim KE, Liu X, Ma YG, Maiano C, Maino M, Marini L, Martinez M, Martinez Amaya C, Maruyama RH, Mei Y, Moggi N, Morganti S, Mosteiro PJ, Nagorny SS, Napolitano T, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Norman EB, Novati V, Nucciotti A, Nutini I, O'Donnell T, Olcese M, Olivieri E, Orio F, Orlandi D, Ouellet JL, Pagliarone CE, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pedretti M, Pedrotta R, Pelosi A, Pessina G, Pettinacci V, Piperno G, Pira C, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Reindl F, Rimondi F, Risegari L, Rosenfeld C, Rossi C, Rusconi C, Sakai M, Sala E, Salvioni C, Sangiorgio S, Santone D, Schaeffer D, Schmidt B, Schmidt J, Scielzo ND, Singh V, Sisti M, Smith AR, Stivanello F, Taffarello L, Tatananni L, Tenconi M, Terranova F, Tessaro M, Tomei C, Ventura G, Vignati M, Wagaarachchi SL, Wallig J, Wang BS, Wang HW, Welliver B, Wilson J, Wilson K, Winslow LA, Wise T, Zanotti L, Zarra C, Zhang GQ, Zhu BX, Zimmermann S, Zucchelli S. First Results from CUORE: A Search for Lepton Number Violation via 0νββ Decay of ^{130}Te. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2018; 120:132501. [PMID: 29694201 DOI: 10.1103/physrevlett.120.132501] [Citation(s) in RCA: 19] [Impact Index Per Article: 3.2] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 10/23/2017] [Indexed: 06/08/2023]
Abstract
The CUORE experiment, a ton-scale cryogenic bolometer array, recently began operation at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. The array represents a significant advancement in this technology, and in this work we apply it for the first time to a high-sensitivity search for a lepton-number-violating process: ^{130}Te neutrinoless double-beta decay. Examining a total TeO_{2} exposure of 86.3 kg yr, characterized by an effective energy resolution of (7.7±0.5) keV FWHM and a background in the region of interest of (0.014±0.002) counts/(keV kg yr), we find no evidence for neutrinoless double-beta decay. Including systematic uncertainties, we place a lower limit on the decay half-life of T_{1/2}^{0ν}(^{130}Te)>1.3×10^{25} yr (90% C.L.); the median statistical sensitivity of this search is 7.0×10^{24} yr. Combining this result with those of two earlier experiments, Cuoricino and CUORE-0, we find T_{1/2}^{0ν}(^{130}Te)>1.5×10^{25} yr (90% C.L.), which is the most stringent limit to date on this decay. Interpreting this result as a limit on the effective Majorana neutrino mass, we find m_{ββ}<(110-520) meV, where the range reflects the nuclear matrix element estimates employed.
Collapse
Affiliation(s)
- C Alduino
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | | | - K Alfonso
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - E Andreotti
- Dipartimento di Fisica e Matematica, Università dell'Insubria, Como I-22100, Italy
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Arnaboldi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F T Avignone
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - O Azzolini
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - M Balata
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - I Bandac
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - T I Banks
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - G Bari
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - M Barucci
- Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125, Italy
- INFN - Sezione di Firenze, Firenze I-50125, Italy
| | - J W Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - G Benato
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Bersani
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - D Biare
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - M Biassoni
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F Bragazzi
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - A Branca
- INFN - Sezione di Padova, Padova I-35131, Italy
| | - C Brofferio
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Bryant
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Buccheri
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - C Bucci
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - C Bulfon
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - A Camacho
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - A Caminata
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - L Canonica
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - X G Cao
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - S Capelli
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | | | - L Cappelli
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Cardani
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - M Cariello
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - P Carniti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Carrettoni
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - N Casali
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - L Cassina
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - R Cereseto
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - G Ceruti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Chiarini
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - D Chiesa
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - N Chott
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - M Clemenza
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - D Conventi
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - S Copello
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - C Cosmelli
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | | | - R J Creswick
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - J S Cushman
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - A D'Addabbo
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - D D'Aguanno
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - I Dafinei
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - V Datskov
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C J Davis
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - F Del Corso
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - S Dell'Oro
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Center for Neutrino Physics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061, USA
- INFN - Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - M M Deninno
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - S Di Domizio
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - M L Di Vacri
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell'Aquila, L'Aquila I-67100, Italy
| | - L Di Paolo
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Drobizhev
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Ejzak
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - R Faccini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - D Q Fang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - M Faverzani
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Ferri
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - E Fiorini
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M A Franceschi
- INFN - Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - S J Freedman
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B K Fujikawa
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - R Gaigher
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Giachero
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Gironi
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Universit Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - L Gladstone
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - J Goett
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - P Gorla
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - C Gotti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Guandalini
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - M Guerzoni
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - T D Gutierrez
- Physics Department, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, California 93407, USA
| | - E E Haller
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
- Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - K Han
- INPAC and School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University; Shanghai Laboratory for Particle Physics and Cosmology, Shanghai 200240, China
| | - E V Hansen
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - K M Heeger
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - R Hennings-Yeomans
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - K P Hickerson
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - H Z Huang
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - M Iannone
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - L Ioannucci
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - R Kadel
- Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - G Keppel
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - L Kogler
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - Yu G Kolomensky
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Leder
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - C Ligi
- INFN - Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - K E Lim
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - X Liu
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - Y G Ma
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - C Maiano
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Maino
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Marini
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
- Laboratorio de Fisica Nuclear y Astroparticulas, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50009, Spain
| | - C Martinez Amaya
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - R H Maruyama
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - Y Mei
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - N Moggi
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - S Morganti
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | | | - S S Nagorny
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- INFN - Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - T Napolitano
- INFN - Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati (Roma) I-00044, Italy
| | - M Nastasi
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Nisi
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - C Nones
- Service de Physique des Particules, CEA / Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E B Norman
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - V Novati
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Universit Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - A Nucciotti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - I Nutini
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- INFN - Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - T O'Donnell
- Center for Neutrino Physics, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, Virginia 24061, USA
| | - M Olcese
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - E Olivieri
- Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125, Italy
- INFN - Sezione di Firenze, Firenze I-50125, Italy
| | - F Orio
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - D Orlandi
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - J L Ouellet
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - C E Pagliarone
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - M Pallavicini
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - V Palmieri
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - L Pattavina
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Pavan
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Pedretti
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - R Pedrotta
- INFN - Sezione di Padova, Padova I-35131, Italy
| | - A Pelosi
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - G Pessina
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | | | - G Piperno
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - C Pira
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - S Pirro
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - S Pozzi
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Previtali
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F Reindl
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - F Rimondi
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - L Risegari
- Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125, Italy
- INFN - Sezione di Firenze, Firenze I-50125, Italy
| | - C Rosenfeld
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - C Rossi
- INFN - Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - C Rusconi
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Sakai
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - E Sala
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Salvioni
- Dipartimento di Fisica e Matematica, Università dell'Insubria, Como I-22100, Italy
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Sangiorgio
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - D Santone
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell'Aquila, L'Aquila I-67100, Italy
| | - D Schaeffer
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - B Schmidt
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Schmidt
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - N D Scielzo
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - V Singh
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - M Sisti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A R Smith
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Stivanello
- INFN - Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | | | - L Tatananni
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - M Tenconi
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Universit Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - F Terranova
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Tessaro
- INFN - Sezione di Padova, Padova I-35131, Italy
| | - C Tomei
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - G Ventura
- Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125, Italy
- INFN - Sezione di Firenze, Firenze I-50125, Italy
| | - M Vignati
- INFN - Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S L Wagaarachchi
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Wallig
- Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B S Wang
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - H W Wang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - B Welliver
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - J Wilson
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - K Wilson
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - L A Winslow
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - T Wise
- Wright Laboratory, Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - L Zanotti
- INFN - Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Zarra
- INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67100, Italy
| | - G Q Zhang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - B X Zhu
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - S Zimmermann
- Engineering Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - S Zucchelli
- INFN - Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| |
Collapse
|
21
|
Armengaud E, Augier C, Barabash AS, Beeman JW, Bekker TB, Bellini F, Benoît A, Bergé L, Bergmann T, Billard J, Boiko RS, Broniatowski A, Brudanin V, Camus P, Capelli S, Cardani L, Casali N, Cazes A, Chapellier M, Charlieux F, Chernyak DM, de Combarieu M, Coron N, Danevich FA, Dafinei I, Jesus MD, Devoyon L, Domizio SD, Dumoulin L, Eitel K, Enss C, Ferroni F, Fleischmann A, Foerster N, Gascon J, Gastaldo L, Gironi L, Giuliani A, Grigorieva VD, Gros M, Hehn L, Hervé S, Humbert V, Ivannikova NV, Ivanov IM, Jin Y, Juillard A, Kleifges M, Kobychev VV, Konovalov SI, Koskas F, Kozlov V, Kraus H, Kudryavtsev VA, Laubenstein M, Sueur HL, Loidl M, Magnier P, Makarov EP, Mancuso M, de Marcillac P, Marnieros S, Marrache-Kikuchi C, Nagorny S, Navick XF, Nikolaichuk MO, Nones C, Novati V, Olivieri E, Pagnanini L, Pari P, Pattavina L, Pavan M, Paul B, Penichot Y, Pessina G, Piperno G, Pirro S, Plantevin O, Poda DV, Queguiner E, Redon T, Rodrigues M, Rozov S, Rusconi C, Sanglard V, Schäffner K, Scorza S, Shlegel VN, Siebenborn B, Strazzer O, Tcherniakhovski D, Tomei C, Tretyak VI, Umatov VI, Vagneron L, Vasiliev YV, Velázquez M, Vignati M, Weber M, Yakushev E, Zolotarova AS. Development of 100 Mo -containing scintillating bolometers for a high-sensitivity neutrinoless double-beta decay search. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2017; 77:785. [PMID: 31997932 PMCID: PMC6956908 DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5343-2] [Citation(s) in RCA: 20] [Impact Index Per Article: 2.9] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/07/2017] [Accepted: 11/02/2017] [Indexed: 06/09/2023]
Abstract
This paper reports on the development of a technology involving 100 Mo -enriched scintillating bolometers, compatible with the goals of CUPID, a proposed next-generation bolometric experiment to search for neutrinoless double-beta decay. Large mass ( ∼ 1 kg ), high optical quality, radiopure 100 Mo -containing zinc and lithium molybdate crystals have been produced and used to develop high performance single detector modules based on 0.2-0.4 kg scintillating bolometers. In particular, the energy resolution of the lithium molybdate detectors near the Q-value of the double-beta transition of 100 Mo (3034 keV) is 4-6 keV FWHM. The rejection of the α -induced dominant background above 2.6 MeV is better than 8 σ . Less than 10 μ Bq/kg activity of 232 Th ( 228 Th ) and 226 Ra in the crystals is ensured by boule recrystallization. The potential of 100 Mo -enriched scintillating bolometers to perform high sensitivity double-beta decay searches has been demonstrated with only 10 kg × d exposure: the two neutrino double-beta decay half-life of 100 Mo has been measured with the up-to-date highest accuracy as T 1 / 2 = [6.90 ± 0.15(stat.) ± 0.37(syst.)] × 10 18 years . Both crystallization and detector technologies favor lithium molybdate, which has been selected for the ongoing construction of the CUPID-0/Mo demonstrator, containing several kg of 100 Mo .
Collapse
Affiliation(s)
- E. Armengaud
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - C. Augier
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - A. S. Barabash
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - J. W. Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - T. B. Bekker
- V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy of the Siberian Branch of the RAS, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - A. Benoît
- CNRS-Néel, 38042 Grenoble Cedex 9, France
| | - L. Bergé
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - T. Bergmann
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - J. Billard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - R. S. Boiko
- Institute for Nuclear Research, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - A. Broniatowski
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Experimentelle Teilchenphysik, 76128 Karlsruhe, Germany
| | - V. Brudanin
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow Region Russia
| | - P. Camus
- CNRS-Néel, 38042 Grenoble Cedex 9, France
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - L. Cardani
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - N. Casali
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - A. Cazes
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - M. Chapellier
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - F. Charlieux
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - D. M. Chernyak
- Institute for Nuclear Research, 03028 Kyiv, Ukraine
- Present Address: Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI), The University of Tokyo Institutes for Advanced Study, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba Japan
| | - M. de Combarieu
- IRAMIS, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - N. Coron
- IAS, CNRS, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France
| | | | - I. Dafinei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - M. De Jesus
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - L. Devoyon
- Orphée, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
- INFN Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - L. Dumoulin
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - K. Eitel
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Kernphysik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - C. Enss
- Kirchhoff Institute for Physics, Heidelberg University, 69120 Heidelberg, Germany
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - A. Fleischmann
- Kirchhoff Institute for Physics, Heidelberg University, 69120 Heidelberg, Germany
| | - N. Foerster
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Experimentelle Teilchenphysik, 76128 Karlsruhe, Germany
| | - J. Gascon
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - L. Gastaldo
- Kirchhoff Institute for Physics, Heidelberg University, 69120 Heidelberg, Germany
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DISAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - V. D. Grigorieva
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - M. Gros
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - L. Hehn
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Kernphysik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - S. Hervé
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - V. Humbert
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - N. V. Ivannikova
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - I. M. Ivanov
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - Y. Jin
- Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, CNRS, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
| | - A. Juillard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - M. Kleifges
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | | | - S. I. Konovalov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - F. Koskas
- Orphée, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - V. Kozlov
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Experimentelle Teilchenphysik, 76128 Karlsruhe, Germany
| | - H. Kraus
- Department of Physics, University of Oxford, Oxford, OX1 3RH UK
| | - V. A. Kudryavtsev
- Department of Physics and Astronomy, University of Sheffield, Hounsfield Road, Sheffield, S3 7RH UK
| | - M. Laubenstein
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
| | - H. Le Sueur
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - M. Loidl
- CEA, LIST, Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB), CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
| | - P. Magnier
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E. P. Makarov
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - M. Mancuso
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DISAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
- Present Address: Max-Planck-Institut für Physik, Munich, Germany
| | - P. de Marcillac
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - S. Marnieros
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - C. Marrache-Kikuchi
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - S. Nagorny
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
| | - X-F. Navick
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | | | - C. Nones
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - V. Novati
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - E. Olivieri
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - L. Pagnanini
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - P. Pari
- IRAMIS, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - L. Pattavina
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - B. Paul
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - Y. Penichot
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - G. Pessina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN, Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Piperno
- INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, 00044 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
| | - O. Plantevin
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
| | - D. V. Poda
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- Institute for Nuclear Research, 03028 Kyiv, Ukraine
| | - E. Queguiner
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - T. Redon
- IAS, CNRS, Université Paris-Sud, 91405 Orsay, France
| | - M. Rodrigues
- CEA, LIST, Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB), CEA-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
| | - S. Rozov
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow Region Russia
| | - C. Rusconi
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - V. Sanglard
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - K. Schäffner
- INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67100 Assergi, AQ Italy
- INFN, Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - S. Scorza
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Experimentelle Teilchenphysik, 76128 Karlsruhe, Germany
- Present Address: SNOLAB, Lively, ON Canada
| | - V. N. Shlegel
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - B. Siebenborn
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Kernphysik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - O. Strazzer
- Orphée, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - D. Tcherniakhovski
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - C. Tomei
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | | | - V. I. Umatov
- National Research Centre Kurchatov Institute, Institute of Theoretical and Experimental Physics, 117218 Moscow, Russia
| | - L. Vagneron
- Univ Lyon, Université Lyon 1, CNRS/IN2P3, IPN-Lyon, 69622 Villeurbanne, France
| | - Ya. V. Vasiliev
- Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, 630090 Novosibirsk, Russia
| | - M. Velázquez
- ICMCB, CNRS, Université de Bordeaux, 33608 Pessac Cedex, France
| | - M. Vignati
- INFN, Sezione di Roma, P.le Aldo Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - M. Weber
- Karlsruhe Institute of Technology, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, 76021 Karlsruhe, Germany
| | - E. Yakushev
- Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Moscow Region Russia
| | - A. S. Zolotarova
- IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
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22
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Strauss R, Rothe J, Angloher G, Bento A, Gütlein A, Hauff D, Kluck H, Mancuso M, Oberauer L, Petricca F, Pröbst F, Schieck J, Schönert S, Seidel W, Stodolsky L. Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches. Int J Clin Exp Med 2017. [DOI: 10.1103/physrevd.96.022009] [Citation(s) in RCA: 32] [Impact Index Per Article: 4.6] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/07/2022]
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23
|
Artusa DR, Balzoni A, Beeman JW, Bellini F, Biassoni M, Brofferio C, Camacho A, Capelli S, Cardani L, Carniti P, Casali N, Cassina L, Clemenza M, Cremonesi O, Cruciani A, D’Addabbo A, Dafinei I, Di Domizio S, di Vacri ML, Ferroni F, Gironi L, Giuliani A, Gotti C, Keppel G, Maino M, Mancuso M, Martinez M, Morganti S, Nagorny S, Nastasi M, Nisi S, Nones C, Orio F, Orlandi D, Pagnanini L, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pessina G, Pettinacci V, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Puiu A, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C, Vignati M, Zolotarova A. First array of enriched Zn[Formula: see text]Se bolometers to search for double beta decay. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2016; 76:364. [PMID: 28280442 PMCID: PMC5321398 DOI: 10.1140/epjc/s10052-016-4223-5] [Citation(s) in RCA: 14] [Impact Index Per Article: 1.8] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/19/2016] [Accepted: 06/16/2016] [Indexed: 06/06/2023]
Abstract
The R&D activity performed during the last years proved the potential of ZnSe scintillating bolometers to the search for neutrino-less double beta decay, motivating the realization of the first large-mass experiment based on this technology: CUPID-0. The isotopic enrichment in [Formula: see text]Se, the Zn[Formula: see text]Se crystals growth, as well as the light detectors production have been accomplished, and the experiment is now in construction at Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italy). In this paper we present the results obtained testing the first three Zn[Formula: see text]Se crystals operated as scintillating bolometers, and we prove that their performance in terms of energy resolution, background rejection capability and intrinsic radio-purity complies with the requirements of CUPID-0.
Collapse
Affiliation(s)
- D. R. Artusa
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, SC 29208 USA
| | - A. Balzoni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - J. W. Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - M. Biassoni
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Camacho
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro (Padova), Italy
| | - S. Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - L. Cardani
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
- Physics Department- Princeton University, Washington Road, Princeton, NJ 08544 USA
| | - P. Carniti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - N. Casali
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - O. Cremonesi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Cruciani
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - A. D’Addabbo
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | | | - S. Di Domizio
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genova, Italy
- INFN-Sezione di Genova, 16146 Genova, Italy
| | - M. L. di Vacri
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - L. Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Giuliani
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - C. Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Keppel
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro (Padova), Italy
| | - M. Maino
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - M. Mancuso
- CSNSM, Univ. Paris-Sud, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
- Max-Planck-Institut für Physik, 80805 Munich, Germany
| | - M. Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | | | - S. Nagorny
- INFN - Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Nastasi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nisi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | - C. Nones
- CEA-Saclay, DSM/IRFU, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
| | - F. Orio
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - D. Orlandi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | - L. Pagnanini
- INFN - Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - M. Pallavicini
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genova, Italy
- INFN-Sezione di Genova, 16146 Genova, Italy
| | - V. Palmieri
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, 35020 Legnaro (Padova), Italy
| | - L. Pattavina
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | - M. Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Pessina
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - V. Pettinacci
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (L’Aquila), Italy
| | - S. Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - E. Previtali
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - A. Puiu
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, 20126 Milan, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - C. Rusconi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- DiSAT, Università dell’Insubria, 22100 Como, Italy
| | - K. Schäffner
- INFN - Gran Sasso Science Institute, 67100 L’Aquila, Italy
| | - C. Tomei
- INFN-Sezione di Roma, 00185 Rome, Italy
| | | | - A. Zolotarova
- CEA-Saclay, DSM/IRFU, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
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Lutz G, Porro M, Aschauer S, Wölfel S, Strüder L. The DEPFET Sensor-Amplifier Structure: A Method to Beat 1/f Noise and Reach Sub-Electron Noise in Pixel Detectors. SENSORS 2016; 16:s16050608. [PMID: 27136549 PMCID: PMC4883299 DOI: 10.3390/s16050608] [Citation(s) in RCA: 10] [Impact Index Per Article: 1.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Download PDF] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/07/2016] [Revised: 04/12/2016] [Accepted: 04/18/2016] [Indexed: 11/16/2022]
Abstract
Depleted field effect transistors (DEPFET) are used to achieve very low noise signal charge readout with sub-electron measurement precision. This is accomplished by repeatedly reading an identical charge, thereby suppressing not only the white serial noise but also the usually constant 1/f noise. The repetitive non-destructive readout (RNDR) DEPFET is an ideal central element for an active pixel sensor (APS) pixel. The theory has been derived thoroughly and results have been verified on RNDR-DEPFET prototypes. A charge measurement precision of 0.18 electrons has been achieved. The device is well-suited for spectroscopic X-ray imaging and for optical photon counting in pixel sensors, even at high photon numbers in the same cell.
Collapse
Affiliation(s)
| | - Matteo Porro
- European X-ray Free-Electron Laser Facility GmbH, Hamburg D-22761, Germany.
| | | | | | - Lothar Strüder
- PNSENSOR GmbH, München D-81739, Germany.
- Experimental Physics, University of Siegen, Walter-Flex-Str. 3, Siegen D-87068, Germany.
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Alfonso K, Artusa DR, Avignone FT, Azzolini O, Balata M, Banks TI, Bari G, Beeman JW, Bellini F, Bersani A, Biassoni M, Brofferio C, Bucci C, Caminata A, Canonica L, Cao XG, Capelli S, Cappelli L, Carbone L, Cardani L, Casali N, Cassina L, Chiesa D, Chott N, Clemenza M, Copello S, Cosmelli C, Cremonesi O, Creswick RJ, Cushman JS, Dafinei I, Dally A, Dell'Oro S, Deninno MM, Di Domizio S, Di Vacri ML, Drobizhev A, Ejzak L, Fang DQ, Faverzani M, Fernandes G, Ferri E, Ferroni F, Fiorini E, Freedman SJ, Fujikawa BK, Giachero A, Gironi L, Giuliani A, Gorla P, Gotti C, Gutierrez TD, Haller EE, Han K, Hansen E, Heeger KM, Hennings-Yeomans R, Hickerson KP, Huang HZ, Kadel R, Keppel G, Kolomensky YG, Lim KE, Liu X, Ma YG, Maino M, Martinez M, Maruyama RH, Mei Y, Moggi N, Morganti S, Nisi S, Nones C, Norman EB, Nucciotti A, O'Donnell T, Orio F, Orlandi D, Ouellet JL, Pagliarone CE, Pallavicini M, Palmieri V, Pattavina L, Pavan M, Pedretti M, Pessina G, Pettinacci V, Piperno G, Pirro S, Pozzi S, Previtali E, Rosenfeld C, Rusconi C, Sala E, Sangiorgio S, Santone D, Scielzo ND, Sisti M, Smith AR, Taffarello L, Tenconi M, Terranova F, Tomei C, Trentalange S, Ventura G, Vignati M, Wagaarachchi SL, Wang BS, Wang HW, Wielgus L, Wilson J, Winslow LA, Wise T, Zanotti L, Zarra C, Zhang GQ, Zhu BX, Zucchelli S. Search for Neutrinoless Double-Beta Decay of (130)Te with CUORE-0. PHYSICAL REVIEW LETTERS 2015; 115:102502. [PMID: 26382673 DOI: 10.1103/physrevlett.115.102502] [Citation(s) in RCA: 16] [Impact Index Per Article: 1.8] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/09/2015] [Indexed: 06/05/2023]
Abstract
We report the results of a search for neutrinoless double-beta decay in a 9.8 kg yr exposure of (130)Te using a bolometric detector array, CUORE-0. The characteristic detector energy resolution and background level in the region of interest are 5.1±0.3 keV FWHM and 0.058±0.004(stat)±0.002(syst)counts/(keV kg yr), respectively. The median 90% C.L. lower-limit half-life sensitivity of the experiment is 2.9×10(24) yr and surpasses the sensitivity of previous searches. We find no evidence for neutrinoless double-beta decay of (130)Te and place a Bayesian lower bound on the decay half-life, T(1/2)(0ν)>2.7×10(24) yr at 90% C.L. Combining CUORE-0 data with the 19.75 kg yr exposure of (130)Te from the Cuoricino experiment we obtain T(1/2)(0ν)>4.0×10(24) yr at 90% C.L. (Bayesian), the most stringent limit to date on this half-life. Using a range of nuclear matrix element estimates we interpret this as a limit on the effective Majorana neutrino mass, m(ββ)<270-760 meV.
Collapse
Affiliation(s)
- K Alfonso
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - D R Artusa
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - F T Avignone
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - O Azzolini
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - M Balata
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - T I Banks
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - G Bari
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - J W Beeman
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - A Bersani
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - M Biassoni
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Brofferio
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Bucci
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - A Caminata
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - L Canonica
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - X G Cao
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - S Capelli
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Cappelli
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - L Carbone
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Cardani
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - N Casali
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - L Cassina
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - D Chiesa
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - N Chott
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - M Clemenza
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Copello
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - C Cosmelli
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - O Cremonesi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - R J Creswick
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - J S Cushman
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - I Dafinei
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - A Dally
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - S Dell'Oro
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
- INFN-Gran Sasso Science Institute, L'Aquila I-67100, Italy
| | - M M Deninno
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
| | - S Di Domizio
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - M L Di Vacri
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell'Aquila, L'Aquila I-67100, Italy
| | - A Drobizhev
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - L Ejzak
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - D Q Fang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - M Faverzani
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - G Fernandes
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - E Ferri
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - F Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - E Fiorini
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S J Freedman
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B K Fujikawa
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Giachero
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - L Gironi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A Giuliani
- Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), 91405 Orsay Campus, Orsay, France
| | - P Gorla
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - C Gotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - T D Gutierrez
- Physics Department, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, California 93407, USA
| | - E E Haller
- Materials Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
- Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - K Han
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - E Hansen
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - K M Heeger
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - R Hennings-Yeomans
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - K P Hickerson
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - H Z Huang
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - R Kadel
- Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - G Keppel
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - Yu G Kolomensky
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Physics Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - K E Lim
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - X Liu
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - Y G Ma
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - M Maino
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Martinez
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- Laboratorio de Fisica Nuclear y Astroparticulas, Universidad de Zaragoza, Zaragoza 50009, Spain
| | - R H Maruyama
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
| | - Y Mei
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - N Moggi
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Scienze per la Qualità della Vita, Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, Bologna I-47921, Italy
| | - S Morganti
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S Nisi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - C Nones
- CEA, Centre de Saclay, Irfu/SPP, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
| | - E B Norman
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - A Nucciotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - T O'Donnell
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - F Orio
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - D Orlandi
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - J L Ouellet
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - C E Pagliarone
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica, Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale, Cassino I-03043, Italy
| | - M Pallavicini
- INFN-Sezione di Genova, Genova I-16146, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Genova I-16146, Italy
| | - V Palmieri
- INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro, Legnaro (Padova) I-35020, Italy
| | - L Pattavina
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - M Pavan
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - M Pedretti
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - G Pessina
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | | | - G Piperno
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma I-00185, Italy
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S Pirro
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - S Pozzi
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Previtali
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Rosenfeld
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - C Rusconi
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - E Sala
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - S Sangiorgio
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - D Santone
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università dell'Aquila, L'Aquila I-67100, Italy
| | - N D Scielzo
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
| | - M Sisti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - A R Smith
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | | | - M Tenconi
- Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), 91405 Orsay Campus, Orsay, France
| | - F Terranova
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Tomei
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S Trentalange
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - G Ventura
- Dipartimento di Fisica, Università di Firenze, Firenze I-50125, Italy
- INFN-Sezione di Firenze, Firenze I-50125, Italy
| | - M Vignati
- INFN-Sezione di Roma, Roma I-00185, Italy
| | - S L Wagaarachchi
- Department of Physics, University of California, Berkeley, California 94720, USA
- Nuclear Science Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
| | - B S Wang
- Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, California 94550, USA
- Department of Nuclear Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, USA
| | - H W Wang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - L Wielgus
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - J Wilson
- Department of Physics and Astronomy, University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA
| | - L A Winslow
- Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA
| | - T Wise
- Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut 06520, USA
- Department of Physics, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin 53706, USA
| | - L Zanotti
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano I-20126, Italy
- INFN-Sezione di Milano Bicocca, Milano I-20126, Italy
| | - C Zarra
- INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi (L'Aquila) I-67010, Italy
| | - G Q Zhang
- Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
| | - B X Zhu
- Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, California 90095, USA
| | - S Zucchelli
- INFN-Sezione di Bologna, Bologna I-40127, Italy
- Dipartimento di Fisica e Astronomia, Alma Mater Studiorum-Università di Bologna, Bologna I-40127, Italy
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Casali N, Vignati M, Beeman J, Bellini F, Cardani L, Dafinei I, Di Domizio S, Ferroni F, Gironi L, Nagorny S, Orio F, Pattavina L, Pessina G, Piperno G, Pirro S, Rusconi C, Schäffner K, Tomei C. TeO[Formula: see text] bolometers with Cherenkov signal tagging: towards next-generation neutrinoless double-beta decay experiments. THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL. C, PARTICLES AND FIELDS 2015; 75:12. [PMID: 25983645 PMCID: PMC4423896 DOI: 10.1140/epjc/s10052-014-3225-4] [Citation(s) in RCA: 3] [Impact Index Per Article: 0.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 04/15/2014] [Accepted: 12/11/2014] [Indexed: 06/04/2023]
Abstract
CUORE, an array of 988 TeO[Formula: see text] bolometers, is about to be one of the most sensitive experiments searching for neutrinoless double-beta decay. Its sensitivity could be further improved by removing the background from [Formula: see text] radioactivity. A few years ago it was pointed out that the signal from [Formula: see text]s can be tagged by detecting the emitted Cherenkov light, which is not produced by [Formula: see text]s. In this paper we confirm this possibility. For the first time we measured the Cherenkov light emitted by a CUORE crystal, and found it to be 100 eV at the [Formula: see text]-value of the decay. To completely reject the [Formula: see text] background, we compute that one needs light detectors with baseline noise below 20 eV RMS, a value which is 3-4 times smaller than the average noise of the bolometric light detectors we are using. We point out that an improved light detector technology must be developed to obtain TeO[Formula: see text] bolometric experiments able to probe the inverted hierarchy of neutrino masses.
Collapse
Affiliation(s)
- N. Casali
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (AQ), Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche, Università degli studi dell’Aquila, 67100 Coppito (AQ), Italy
| | - M. Vignati
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - J.W. Beeman
- Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720 USA
| | - F. Bellini
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - L. Cardani
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - I. Dafinei
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - S. Di Domizio
- INFN Sezione di Genova, 16146 Genoa, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Genova, 16146 Genoa, Italy
| | - F. Ferroni
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - L. Gironi
- INFN Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - S. Nagorny
- INFN Gran Sasso Science Institute, 67100 L‘Aquila, Italy
| | - F. Orio
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - L. Pattavina
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (AQ), Italy
| | - G. Pessina
- INFN Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - G. Piperno
- Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, 00185 Rome, Italy
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
| | - S. Pirro
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (AQ), Italy
| | - C. Rusconi
- INFN Sezione di Milano Bicocca, 20126 Milan, Italy
| | - K. Schäffner
- INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso, 67010 Assergi (AQ), Italy
| | - C. Tomei
- INFN Sezione di Roma, P.le A. Moro 2, 00185 Rome, Italy
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Pullia A, Sanvito T, Potenza MA, Zocca F. A low-noise large dynamic-range readout suitable for laser spectroscopy with photodiodes. THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 2012; 83:104704. [PMID: 23126787 DOI: 10.1063/1.4756045] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.1] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/01/2023]
Abstract
An original low-noise large dynamic-range readout system for optical light spectroscopy with PIN diodes is presented. The front-end circuit is equipped with a smart device for automatic cancellation of the large dc offset brought about by the photodiode current. This device sinks away the exact amount of dc current from the preamplifier input, yielding auto zeroing of the output-voltage offset, while introducing the minimum electronic noise possible. As a result the measurement dynamic-range is maximized. Moreover, an auxiliary inspection point is provided which precisely tracks the dc component of the photodiode current. This output allows for precise beam alignment and may also be used for diagnostic purposes. The excellent gain stability and linearity make the circuit perfectly suited for optical-light pulse spectroscopy. Applications include particle sizing in the 100 nm range, two-dimensional characterization of semiconductor detectors, ultra-precise characterization of laser beam stability, confocal microscopy.
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Affiliation(s)
- A Pullia
- Department of Physics, University of Milano, Milano 20133, Italy.
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Rovati L. Optimum preamplification and shaping of signals delivered by photodetectors without internal amplification: a theoretical analysis. ACTA ACUST UNITED AC 2000. [DOI: 10.1109/82.842108] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.0] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/08/2022]
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31
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Arfelli F, Bonvicini V, Bravin A, Cantatore G, Castelli E, Fabrizioli M, Longo R, Olivo A, Pani S, Pontoni D, Poropat P, Prest M, Rashevsky A, Rigon L, Tromba G, Vacchi A, Vallazza E. A multilayer edge-on silicon microstrip single photon counting detector for momography mammography. ACTA ACUST UNITED AC 1999. [DOI: 10.1016/s0920-5632(99)00610-6] [Citation(s) in RCA: 12] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 10/18/2022]
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32
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Russo G, Petta C, Lopresti D, Randazzo N, Russo M. Silicon drift detector readout and on-line data reduction using a fast VLSI dedicated fuzzy processor. Inf Sci (N Y) 1996. [DOI: 10.1016/s0020-0255(96)00122-3] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 0.3] [Reference Citation Analysis] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 11/16/2022]
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33
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Pullia A, Kraner HW, Siddons DP, Furenlid LR, Bertuccio G. Silicon Detector System for High Rate EXAFS Applications. IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE 1995; 42:585-589. [PMID: 26538683 PMCID: PMC4629789 DOI: 10.1109/23.467909] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/05/2023]
Abstract
A multichannel silicon pad detector for EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) applications has been designed and built. The X-ray spectroscopic measurements demonstrate that an adequate energy resolution of 230 eV FWHM (corresponding to 27 rms electrons in silicon) can be achieved reliably at -35 °C. A resolution of 190 eV FWHM (corresponding to 22 rms electrons) has been obtained from individual pads at -35 °C. At room temperature (25 °C) an average energy resolution of 380 eV FWHM is achieved and a resolution of 350 eV FWHM (41 rms electrons) is the best performance. A simple cooling system constituted of Peltier cells is sufficient to reduce the reverse currents of the pads and their related shot noise contribution, in order to achieve resolutions better than 300 eV FWHM which is adequate for the EXAFS applications.
Collapse
Affiliation(s)
- A Pullia
- Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
| | - H W Kraner
- Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
| | - D P Siddons
- Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
| | - L R Furenlid
- Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
| | - G Bertuccio
- Politecnico di Milano, Dipartimento di Elettronica e Informazione, P.za Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italy
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Abstract
Customized silicon diode detectors are widely used for elementary particle detection for their good spatial resolution. Silicon detectors are also excellent X-ray detectors in the energy range of interest for applications in synchrotron radiation experiments and, with small elements laid out in a two-dimensional array, may provide high performance imaging devices for future diffraction experiments. These pixel detectors are still in the development phase but some are already installed in experiments and within the next few years large area detectors with fast, two-dimensional readout are likely to be available for online acquisition of diffraction patterns. This article describes the technology of silicon pixel detectors and outlines the status of current developments and the performance which could be achieved in a realistic system, indicating the steps required to implement it.
Collapse
Affiliation(s)
- G Hall
- Blackett Laboratory, Imperial College, London
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