1
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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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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.
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
| | - 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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3
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Abstract
In this paper we review results obtained in the searches of double beta decays to excited states of the daughter nuclei and illustrate the related experimental techniques. In particular, we describe in some detail the only two cases in which the transition has been observed; that is the 2β−(0+→01+) decay of 100Mo and 150Nd nuclides. Moreover, the most significant results in terms of lower limits on the half-life are also summarized.
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Abstract
Double beta decay is a very rare nuclear process and, therefore, experiments intended to detect it must be operated deep underground and in ultra-low background conditions. Long-lived radioisotopes produced by the previous exposure of materials to cosmic rays on the Earth’s surface or even underground can become problematic for the required sensitivity. Here, the studies developed to quantify and reduce the activation yields in detectors and materials used in the set-up of these experiments will be reviewed, considering target materials like germanium, tellurium and xenon together with other ones commonly used like copper, lead, stainless steel or argon. Calculations following very different approaches and measurements from irradiation experiments using beams or directly cosmic rays will be considered for relevant radioisotopes. The effect of cosmogenic activation in present and future double beta decay projects based on different types of detectors will be analyzed too.
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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, 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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6
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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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7
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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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8
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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, 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
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11
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Engel J, Menéndez J. Status and future of nuclear matrix elements for neutrinoless double-beta decay: a review. REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS. PHYSICAL SOCIETY (GREAT BRITAIN) 2017; 80:046301. [PMID: 28140335 DOI: 10.1088/1361-6633/aa5bc5] [Citation(s) in RCA: 60] [Impact Index Per Article: 8.6] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 06/06/2023]
Abstract
The nuclear matrix elements that govern the rate of neutrinoless double beta decay must be accurately calculated if experiments are to reach their full potential. Theorists have been working on the problem for a long time but have recently stepped up their efforts as ton-scale experiments have begun to look feasible. Here we review past and recent work on the matrix elements in a wide variety of nuclear models and discuss work that will be done in the near future. Ab initio nuclear-structure theory, which is developing rapidly, holds out hope of more accurate matrix elements with quantifiable error bars.
Collapse
Affiliation(s)
- Jonathan Engel
- Department of Physics and Astronomy, University of North Carolina, Chapel Hill, NC 27516-3255, United States of America
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Collapse
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12
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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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