A study of neutrinoless double electron capture in $^{40}$Ca from the AMoRE experiment

Resumen Técnico: Un estudio de la captura doble electrónica sin neutrinos en $^{40}$Ca a partir del experimento AMoRE

Planteamiento del Problema
La búsqueda de la captura doble electrónica sin neutrinos ($0\nu2EC$) sirve como una sonda crítica para la violación de la conservación del número leptónico y la naturaleza Majorana de los neutrinos. Aunque el objetivo físico principal de la colaboración AMoRE (Advanced Mo-based Rare process Experiment) es la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos ($0\nu\beta\beta$) del $^{100}$Mo, el experimento utiliza cristales de molibdato de calcio ($^{40}$Ca$^{100}$MoO$_4$ o CMO). Estos cristales contienen $^{40}$Ca como un isótopo de ocurrencia natural con una alta concentración isotópica ($\delta \approx 96.94\%$). Aunque la energía de desintegración para la $0\nu2EC$ de $^{40}$Ca ($Q_{2EC} = 193.50$ keV) no favorece el aumento resonante, el experimento es adecuado para buscar este raro proceso. Los límites previos sobre esta desintegración fueron establecidos por la colaboración CRESST utilizando bolómetros de CaWO$_4$. Este artículo presenta una investigación de la desintegración $0\nu2EC$ de $^{40}$Ca utilizando datos de la fase AMoRE-I.

Metodología
El análisis utiliza un conjunto de datos de física del experimento AMoRE-I, llevado a cabo en el Laboratorio Subterráneo de Yangyang (700 m de cobertura de roca) entre diciembre de 2020 y mayo de 2023. El conjunto de datos corresponde a una exposición total de 7.32 kg·yr de trece cristales de CMO, lo que resulta en una exposición isotópica específica de $^{40}$Ca de 1.43 kg·yr.

• Sistema de Detector: El experimento emplea detectores criogénicos equipados con calorímetros magnéticos metálicos (MMC) para la lectura simultánea de fonones y fotones. Este esquema de doble lectura permite la identificación de partículas para rechazar los fondos de desintegración $\alpha$.
• Procesamiento de Datos: Los datos fueron reanalizados con disparadores de eventos optimizados para reducir el umbral de energía, filtrado óptimo para la amplitud de la señal y correcciones para las inestabilidades de la señal. El conjunto de datos se dividió en dos períodos: "antes del corte de energía" (BPO, dic 2020–nov 2021) y "después del corte de energía" (APO, ene 2022–may 2023). El corte de energía derivó incidentalmente en una mejora de la resolución de energía en la mayoría de los detectores y en la activación de un módulo previamente no responsivo (CMO 03).
• Calibración de Energía y Resolución: La calibración utilizó picos de rayos $\gamma$ de una fuente de $^{232}$Th (583, 911, 969, 2615 keV) y un pico de rayo X de Pb de 75 keV. Las formas de los picos se ajustaron mediante la función de Bukin para contabilizar las colas asimétricas. Se modeló la resolución de energía FWHM (anchura completa a la mitad del máximo) en la región de interés (ROI), logrando la mayoría de los detectores entre 2.5 y 4 keV FWHM en el conjunto de datos APO.
• Modelado de la Señal: El proceso $0\nu2EC$ en $^{40}$Ca procede vía captura atómica (dominadamente $f_{KK} \approx 85\%$, $f_{KL} \approx 14\%$). Para las transiciones de estado fundamental a estado fundamental, el canal KK procede vía electrones de conversión interna (IC), mientras que los canales KL pueden emitir fotones reales o electrones IC. Se utilizaron simulaciones de Monte Carlo de GEANT4 para determinar las eficiencias de contención ($\varepsilon_{cont} \approx 0.91–0.93$) y las eficiencias totales de detección ($\varepsilon \approx 0.86–0.92$), teniendo en cuenta la menor densidad de CMO en comparación con CaWO$_4$.
• Análisis Estadístico: Se realizó un ajuste de máxima verosimilitud extendido por compartimentos sobre el espectro de energía dentro de una ventana de $\pm 12\sigma$ alrededor de $Q_{2EC} = 193.5$ keV. El modelo de fondo incluyó un componente lineal y un pico en 186 keV (atribuido a $^{226}$Ra/$^{235}$U). La señal se modeló utilizando la función de densidad de probabilidad de Bukin. Las incertidumbres sistemáticas se restringieron mediante términos gaussianos.

Contribuciones Clave

• Primer Límite de AMoRE-I para $^{40}$Ca: El artículo establece el primer límite inferior en la vida media de la $0\nu2EC$ de $^{40}$Ca utilizando cristales de CMO, demostrando la capacidad del arreglo de detectores AMoRE para buscar procesos raros más allá de su programa principal de $0\nu\beta\beta$ de $^{100}$Mo.
• Sensibilidad Mejorada: El análisis refina la reconstrucción de la escala de energía y utiliza un conjunto de datos más grande con una resolución de energía mejorada (post-corte de energía) en comparación con estudios previos.
• Caracterización del Fondo: El estudio detalla la composición del fondo en la ROI, identificando el pico de 186 keV y cuantificando el índice de fondo para detectores individuales, observando que el blindaje de aluminio temporal en el periodo BPO contribuyó a niveles de fondo más altos.

Resultados

• Observación: No se observó un exceso significativo de eventos en la región de interés (193.5 keV). La mejor tasa de desintegración ajustada ($\Gamma_{best} \sim 1.2 \times 10^{-23}$ yr$^{-1}$) se atribuye a fluctuaciones estadísticas en el fondo.
• Límite de Vida Media: Con un nivel de confianza (CL) del 90%, el experimento establece un límite inferior en la vida media de:
  $$T_{1/2}^{0\nu} > 1.7 \times 10^{22} \text{ yr}$$
  Esto corresponde a un límite superior en la tasa de desintegración de $\Gamma_{90} = 4.1 \times 10^{-23}$ yr$^{-1}$.
• Comparación: Este resultado representa una ligera mejora sobre el límite previo de $T_{1/2}^{0\nu} > 1.4 \times 10^{22}$ yr establecido por la colaboración CRESST utilizando bolómetros de CaWO$_4$.
• Proyecciones de Sensibilidad: La sensibilidad mediana esperada para el conjunto de datos actual es $T_{1/2}^{0\nu} = 2.0^{+0.8}_{-0.6} \times 10^{22}$ yr.

Significado y Perspectivas Futuras
El artículo concluye que el experimento AMoRE demuestra con éxito el potencial de los detectores de CaMoO$_4$ para explorar procesos de desintegración raros. Si bien el conjunto de datos actual de AMoRE-I no alcanza el bajo umbral de energía (6.4 keV) requerido para buscar el proceso de captura doble K con dos neutrinos ($2\nu2K$) en $^{40}$Ca, los resultados validan la tecnología del detector para tales búsquedas.

Mirando hacia el próximo experimento AMoRE-II, que utilizará 90 kg de $^{100}$Mo y retendrá al menos 13 cristales de CMO, los autores proyectan una mejora significativa en la sensibilidad. Asumiendo una masa de 4.6 kg de CMO, 5 años de tiempo de vida y niveles de fondo reducidos, la sensibilidad de exclusión mediana proyectada puede alcanzar $T_{1/2}^{0\nu} \sim 9 \times 10^{22}$ yr al 90% CL. Esto representa una mejora de aproximadamente un factor de cinco sobre el límite actual de AMoRE-I, impulsada por una reducción de cinco veces en el fondo y un aumento de tres veces en la exposición. Estos hallazgos resaltan el potencial físico más amplio del proyecto AMoRE, extendiéndose desde búsquedas de eventos raros de pocos keV hasta sondas de escala MeV de la física más allá del Modelo Estándar.