Li$_2$$^{100\textrm{depl}}$MoO$_4$ Scintillating Bolometers for Rare-Event Search Experiments

Resumo Técnico: Bolômetros Cintilantes de $\text{Li}_2^{100\text{depl}}\text{MoO}_4$ para Experimentos de Busca de Eventos Raros

Definição do Problema
Cristais cintilantes, particularmente aqueles que contêm molibdênio, são ferramentas estabelecidas para buscas de eventos raros, tais como a dupla desintegração beta sem neutrinos ($0\nu\beta\beta$), detecção de matéria escura e buscas de axions. Enquanto os cristais de molibdato de lítio ($\text{Li}_2\text{MoO}_4$) enriquecidos com o isótopo $^{100}\text{Mo}$ são o foco principal para experimentos de dupla desintegração beta do $^{100}\text{Mo}$ (ex: CUPID, CROSS), a presença do próprio isótopo $^{100}\text{Mo}$ constitui um fundo interno significativo para outras buscas de eventos raros. Especificamente, a dupla desintegração beta com dois neutrinos ($2\nu\beta\beta$) do $^{100}\text{Mo}$ cria um fundo contínuo que pode obscurecer sinais em buscas de interações de matéria escura dependentes de spin no $^7\text{Li}$, axions solares, ou duplas desintegrações beta em outros isótopos como $^{92}\text{Mo}$ e $^{98}\text{Mo}$. Além disso, o lítio natural contém $^6\text{Li}$, que é útil para detecção de nêutrons, mas a alta atividade do $^{100}\text{Mo}$ em cristais padrão limita a sensibilidade desses detectores em regiões de baixa energia. Os autores propõem o uso de cristais de molibdato de lítio produzidos com molibdênio depletado em $^{100}\text{Mo}$ ($\text{Li}_2^{100\text{depl}}\text{MoO}_4$) para mitigar esse fundo interno, mantendo ao mesmo tempo as propriedades benéficas da matriz cristalina.

Metodologia
O estudo envolveu a produção, montagem e caracterização de dois bolômetros cintilantes cúbicos de $\text{Li}_2^{100\text{depl}}\text{MoO}_4$ (LMO-depl-1 e LMO-depl-2), cada um medindo 45 mm de lado com uma massa de aproximadamente 0,28 kg.

• Produção dos Cristais: Os cristais foram crescidos a partir de óxido de molibdênio depletado em $^{100}\text{Mo}$ (contendo $\sim0,01\%$ de $^{100}\text{Mo}$, aproximadamente 1000 vezes menor que a abundância natural) e carbonato de lítio com pureza 4N. O crescimento seguiu a técnica Czochralski de baixo gradiente térmico, utilizando protocolos desenvolvidos para os projetos LUMINEU e CUPID-Mo.
• Montagem do Detector: Os cristais foram instrumentados com termistores de Germânio com Dopagem por Transmutação de Nêutrons (NTD) para detecção de calor e aquecedores de Silício dopados com Fósforo (P) para estabilização térmica e injeção de pulso. Para detectar a luz de cintilação, os cristais foram acoplados a detectores de luz (LDs) bolométricos baseados em lâminas de Germânio de alta pureza (formatos circular e quadrado), também equipados com sensores NTD.
• Configuração Experimental: Os detectores foram operados no setup criogênico CROSS (C2U) no Laboratório Subterrâneo de Canfranc (Espanha). O setup utilizou uma geladeira de diluição HEXA-DRY com Tecnologia Ultra-Quiet para minimizar vibrações. Os detectores foram blindados por chumbo e cobre, e um fluxo de ar deradonizado foi empregado durante corridas específicas.
• Operação e Calibraçãoção: As medições foram conduzidas em temperaturas de base de 12–18 mK. A calibração foi realizada utilizando uma fonte $\gamma$ de $^{232}\text{Th}$ e uma fonte de raios X de $^{55}\text{Fe}$. A aquisição de dados utilizou eletrônica de front-end de baixo ruído com filtragem ótima de Gatti-Manfredi para maximizar as razões sinal-ruído.

Principais Contribuições e Resultados
O artigo relata o primeiro desenvolvimento e caracterização de desempenho de bolômetros cintilantes de $\text{Li}_2^{100\text{depl}}\text{MoO}_4$.

• Desempenho Espectrométrico: Os bolômetros demonstraram excelente resolução de energia. A 12 mK, a Largura Total à Meia Altura (FWHM) foi medida em 5,8(3) keV para raios $\gamma$ de 2615 keV e 5,9(10) keV em 1765 keV. A resolução de ruído de linha de base foi de aproximadamente 2–4 keV FWHM.
• Cintilação e Identificação de Partículas: Os detectores distinguiram com sucesso os tipos de partículas com base na razão luz-calor (L/H). O rendimento de luz para eventos $\gamma(\beta)$ variou de 0,33 a 0,59 keV/MeV, dependendo da geometria de coleta de luz (folha reflexiva vs. alojamento de cobre). Partículas alfa e eventos de captura de nêutrons ($^6\text{Li}(n,t)\alpha$) foram claramente separados de eventos $\gamma$, com fatores de quenching para partículas alfa ($QF_\alpha$) medidos em torno de 0,19–0,21.
• Radiopureza: Os cristais exibiram alta radiopureza, comparável aos cristais enriquecidos em $^{100}\text{Mo}$ produzidos via os mesmos protocolos. As atividades de $^{228}\text{Th}$ e $^{226}\text{Ra}$ foram encontradas abaixo de alguns $\mu\text{Bq/kg}$. A contaminação interna dominante foi identificada como $^{210}\text{Po}$ ($\sim35 \mu\text{Bq/kg}$), atribuída ao $^{210}\text{Pb}$ residual. Nenhuma outra contaminação radioativa significativa das cadeias de U/Th foi detectada.
• Reconstrução de Fundo: Uma análise comparativa com um detector enriquecido em $^{100}\text{Mo}$ mostrou que o cristal depletado reduz significativamente o contínuo de fundo na região de interesse para buscas de $0\nu\beta\beta$, removendo efetivamente a contribuição de $2\nu\beta\beta$ do $^{100}\text{Mo}$.

Significância e Alegações
Os autores concluem que os bolômetros de $\text{Li}_2^{100\text{depl}}\text{MoO}_4$ oferecem uma alternativa de alto desempenho para buscas de eventos raros onde a atividade intrínseca do $^{100}\text{Mo}$ é um fator limitante. O artigo afirma que estes detectores são particularmente adequados para:

1. Buscas de Matéria Escura e Axions: A redução do fundo do $^{100}\text{Mo}$ aumenta a sensibilidade para buscas envolvendo $^7\text{Li}$ (matéria escura dependente de spin e axions solares).
2. Detecção de Nêutrons: A presença de $^6\text{Li}$ natural permite o monitoramento eficiente do fluxo de nêutrons via a reação $^6\text{Li}(n,t)\alpha$.
3. Modelagem de Fundo: O uso de cristais depletados como detectores complementares em experimentos que utilizam cristais enriquecidos (como CUPID ou CROSS) pode fornecer um modelo de fundo preciso, isolando o espectro $2\nu\beta\beta$ do $^{100}\text{Mo}$ e caracterizando outros componentes de fundo sem a interferência do contínuo de decaimento do $^{100}\text{Mo}$.

O estudo demonstra que os protocolos de purificação e cristalização estabelecidos para o molibdênio enriquecido podem ser transferidos com sucesso para o molibdênio depletado, resultando em cristais com radiopureza e desempenho espectrométrico comparáveis.