The CROSS experiment: detector construction, background projection, and sensitivity to $^{100}$Mo $0\nu2\beta$ decay

Resumen Técnico del Artículo del Experimento CROSS

Planteamiento del Problema
La búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos ($0\nu2\beta$) en el isótopo $^{100}\text{Mo}$ es una vía principal para sondear la física más allá del Modelo Estándar, específicamente para probar la naturaleza Majorana de los neutrinos y la violación del número leptónico. Si bien experimentos previos como NEMO-3, LUMINEU, CUPID-Mo y AMoRE-I han establecido límites significativos, el campo requiere detectores con masas mayores e índices de fondo más bajos para alcanzar la sensibilidad necesaria para sondear la jerarquía de masa de neutrinos invertida. El experimento CROSS (Observatorio Criogénico de Eventos Raros con Sensibilidad Superficial) pretende abordar esto utilizando un arreglo de calorímetros criogénicos que contienen $^{100}\text{Mo}$ enriquecido. Un desafío clave abordado en este trabajo es la degradación del rendimiento observada en cristales de gran volumen con recubrimiento superficial, lo que requiere una nueva arquitectura de detector que dependa de detectores de luz emparejados para la identificación de partículas sin necesidad de recubrimientos superficiales.

Metodología
El artículo detalla la construcción, instalación y el modelado de fondo del arreglo de detectores CROSS en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en España.

• Construcción del Detector: El arreglo consta de 42 módulos de calorímetros criogénicos con lectura dual de calor-luz. Los absorbedores centrales incluyen 32 cristales cúbicos (45 mm de lado) de molibdato de litio ($\text{Li}_2^{100}\text{MoO}_4$, LMO) enriquecidos a aproximadamente un $98\%$ en $^{100}\text{Mo}$ (un total de 8.93 kg de LMO, o 4.9 kg de $^{100}\text{Mo}$), junto con 6 cristales de $\text{TeO}_2$ y 4 muestras de LMO para estudios de fondo.
• Detección de Luz y Lectura: Cada cristal está acoplado a un detector de luz (LD) criogénico fabricado con obleas de Germanio (Ge) o Silicio (Si) de alta pureza. Estos LD cuentan con electrodos de Aluminio diseñados para explotar el efecto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) para la amplificación de la señal, mejorando las capacidades de identificación de partículas. La estructura mecánica minimiza los materiales pasivos, utilizando una baja relación de masa Cu-a-LMO (6%) y componentes de polilactida (PLA) impresos en 3D.
• Instalación y Entorno: El detector fue ensamblado en una sala blanca en el IJCLab (Orsay, Francia) e instalado en la instalación criogénica dedicada de bajo fondo (C2U) del LSC a mediados de 2025. El montaje incluye un blindaje pasivo masivo (plomo y cobre), una caja anti-radón y un sistema de veto de muones compuesto por 174 módulos de centelleador plástico. El sistema opera a $\sim20$ mK mediante un refrigerador de dilución.
• Modelado de Fondo: Los autores realizaron extensas simulaciones de Monte Carlo basadas en Geant4 para proyectar el índice de fondo (BI) en la región de interés (ROI). El modelo incluyó geometrías detalladas de los componentes del detector, el blindaje y el veto de muones. Consideró contaminantes radiactivos ($^{226}\text{Ra}$, $^{228}\text{Th}$) en los materiales, desintegraciones $2\nu2\beta$ de $^{100}\text{Mo}$, eventos de apilamiento (pile-up) aleatorios y muones cósmicos. Se aplicaron criterios de selección de eventos, incluyendo impactos en un solo cristal, anticoincidencia con el veto de muones (ventana de 2 ms) y discriminación por la Relación Luz-Calor (LHR).

Contribuciones Clave y Resultados

• Rendimiento del Detector: El artículo reporta la exitosa construcción y puesta en marcha del arreglo de 42 módulos. Los cristales demuestran una alta calidad óptica y radiopureza, con actividades internas de $^{228}\text{Th}$ y $^{226}\text{Ra}$ por debajo de $1\,\mu\text{Bq/kg}$ para las muestras enriquecidas. Los LD alcanzaron un ruido de línea base RMS de $\sim10$ eV con una ganancia de relación señal-ruido de aproximadamente 9 bajo un sesgo de 80 V.
• Proyección de Fondo: Las simulaciones de Monte Carlo predicen un índice de fondo en un intervalo de 100 keV centrado en el valor Q de $^{100}\text{Mo}$ (3034 keV) de $3.2(5) \times 10^{-3}$ cuentas/keV/kg/año. La fuente dominante de fondo se identifica como eventos inducidos por muones (aproximadamente el 80% del total), seguidos por contribuciones de las pantallas del criostato y los pines electrónicos.
• Estimaciones de Sensibilidad:
  • Asumiendo el índice de fondo proyectado de $3.2(5) \times 10^{-3}$ cuentas/keV/kg/año, un ciclo de trabajo del 90% y un tiempo muerto del 18% debido al veto de muones, se proyecta que el experimento alcance una sensibilidad líder mundial para la desintegración $0\nu2\beta$ de $^{100}\text{Mo}$ ($T_{1/2} \sim 4 \times 10^{24}$ años) dentro de 1 año de toma de datos.
  • Los autores presentan escenarios conservadores que contemplan la posible contaminación radiactiva impredecible o la degradación del rendimiento. Incluso con un índice de fondo 3 veces peor ($1 \times 10^{-2}$ cuentas/keV/kg/año), el experimento podría alcanzar la mejor sensibilidad mundial en 1.5 años. En un escenario de caso de peor desempeño (10 veces peor, $5 \times 10^{-2}$ cuentas/keV/kg/año), una operación de 2 años seguiría ofreciendo una sensibilidad competitiva.

Significado
El artículo establece al experimento CROSS como un buscador de próxima generación viable y altamente sensible para la desintegración $0\nu2\beta$ en $^{100}\text{Mo}$. Al transicionar exitosamente de cristales con recubrimiento superficial a una arquitectura de cristales emparejados con detector de luz, la colaboración ha demostrado una solución escalable que mantiene la alta radiopureza y las capacidades de identificación de partículas. Los niveles de fondo proyectados son comparables o mejores que los de los experimentos líderes actuales, posicionando a CROSS para establecer los límites más estrictos sobre la vida media $0\nu2\beta$ de $^{100}\text{Mo}$ en el corto plazo. Este trabajo también valida las técnicas de ensamblaje y mecánicas (estructuras de baja masa, pegado robótico) destinadas a futuros experimentos de gran escala como CUPID-1T. La toma regular de datos de física comenzó en abril de 2026, marcando la transición de I+D a la operación de física a escala completa.