Test of $^{116}$CdWO$_4$ and Li$_2$MoO$_4$ scintillating bolometers in the CROSS underground facility with upgraded detector suspension

技术摘要：在 CROSS 地下设施中对 $^{116}$CdWO$_4$ 和 Li$_2$MoO$_4$ 闪烁量热计的测试

问题与背景
寻找无中微子双 $\beta$ 衰变（$0\nu\beta\beta$）的研究需要下一代实验，这些实验必须能够在具备超低本底和高能量分辨率的情况下运行吨级质量的同位素。闪烁量热计通过同时测量热量和闪烁光，利用粒子识别（PID）技术来抑制本底事件，从而提供关键优势。CROSS 项目旨在开发用于降低本底的金属涂层量热计技术，而 CLYMENE 项目则专注于优化用于未来实验（如 CUPID）的大体积锂钼酸盐（$Li_2MoO_4$）晶体的生长。操作这些探测器的一个重大挑战是脉冲管制冷机引入的振动噪声，虽然脉冲管制冷机因其效率高而被青睐，但如果机械解耦不当，可能会降低探测器的性能。

方法论
作者在西班牙 Canfranc 地下实验室（LSC）的 CROSS 地下设施内测试了两种闪烁量热计。实验使用了一个专用的低本底低温恒温器，该恒温器配备了全新的探测器悬挂系统，其特征是采用了磁阻尼器以减轻脉冲管诱导的振动。

1. 探测器配置：

   • 参考探测器： 一个 $^{116}$CdWO$_4$ 闪烁量热计（582 g），此前已在该设施中进行过测试，用作基准来评估新的悬挂系统和噪声条件。
   • 测试探测器： 一个通过 CLYMENE 项目采用优化的提拉法（Czochralski technique）生长的 $Li_2MoO_4$ 闪烁量热计（245 g）。该探测器耦合了一个具有同心铝电极的锗（Ge）光探测器，以利用 Neganov-Trofimov-Luke (NTL) 效应进行信号放大。
   • 支撑硬件： 两个模块均配备了用于热量读取的非掺杂热敏锗（NTD）热敏电阻。锗光探测器用于测量闪烁光以进行粒子识别（PID）。

2. 实验设置：

   • 探测器被冷却至 15 mK 的基准温度。
   • 安装了一个新的悬挂系统，该系统由通过凯夫拉绳悬挂的容器组成，其中 NdFeB 磁铁在 1 K 级固定的铜管内运动。该设计利用涡流效应来提供高效的振动阻尼。
   • 数据采集采用 2 kS/s 的连续数字化并结合 Bessel 滤波。

3. 分析：

   • 数据处理采用了 Gatti-Manfredi 最优滤波器来提取信号幅度及脉冲形状参数（上升时间、衰减时间）。
   • 粒子识别是通过关联热信号和光信号来实现的。
   • 通过分析背景数据以及使用 $^{232}$Th 源的定标运行中的 $\alpha$ 和 $\gamma(\beta)$ 事件能谱，对放射纯度进行了评估。

关键结果

• 噪声与能量分辨率：

  • 升级后的悬挂系统相比之前在同一设施中的测量，将 $^{116}$CdWO$_4$ 探测器的基线噪声分辨率显著提高了约 2 keV。
  • 对于 2.6 MeV $\gamma$ 量子（来自 $^{208}$Tl 的 2615 keV 峰），两个探测器均实现了约 6 keV FWHM 的能量分辨率。这代表了目前已报道的质量级 CdWO$_4$ 热探测器中最好的分辨率，也是 $Li_2MoO_4$ 热探测器中最好的分辨率之一。
  • 基于 Ge 的光学量热计噪声提高了 2 倍，达到约 100 eV FWHM。
  • 通过对 $Li_2MoO_4$ 光探测器施加 60 V 偏压以利用 NTL 效应，噪声分辨率进一步降低至约 20 eV FWHM（具体为 16–18 eV FWHM，取决于工作点）。

• 粒子识别：

  • 两个探测器均实现了高效率的粒子识别。
  • $^{116}$CdWO$_4$ 探测器展示了高效的 $\alpha$ 与 $\gamma(\beta)$ 事件分离，与之前的结果一致。
  • 尽管 $Li_2MoO_4$ 的闪烁效率较低（约 0.6 keV/MeV），但通过增强的 NTL 放大光探测器，仍能实现 $\alpha$ 和 $\gamma(\beta)$ 群落的清晰分离。

• CLYMENE 晶体的放射纯度：

  • 对 $\alpha$ 事件的分析显示存在 $^{210}$Po 和 $^{226}$Ra 的痕量，其活性分别为 $\sim$0.09 mBq/kg 和 0.12 mBq/kg。
  • 未检测到 $^{228}$Th 的特征信号；其活性预计至少比检测限低一个数量级。
  • 对 $\gamma(\beta)$ 能谱的分析得出本体 $^{40}$K 污染的上限定为 $\le$ 6 mBq/kg (90% C.L.)，排除了危险水平的钾污染。

• 噪声伪影：

  • 尽管进行了悬挂系统的升级，数据中仍存在脉冲管诱导噪声的高频谐波，这表明噪声是通过线缆拾取的，而非机械振动。

意义与主张
论文声称，带有磁阻尼器的新型悬挂系统成功改善了 $^{116}$CdWO$_4$ 参考探测器的噪声条件，验证了该设计对于未来大规模实验的适用性。研究表明，尽管 CLYMENE 项目生产的先进 $Li_2MoO_4$ 晶体未经过通常用于稀有事件搜索的额外纯化步骤，但其放射纯度水平足以满足像 CUPID 这样的下一代实验的要求。

此外，这项工作强调了 Neganov-Trofimov-Luke 效应在量热光探测器中的可行性，表明即使对于闪烁效率较低的材料，该效应也能大幅提高信噪比和粒子识别能力。作者得出结论，虽然机械解耦得到了改善，但未来的迭代必须解决线缆中的电磁噪声拾取问题，以充分发挥脉冲管制冷机在超低本底物理研究中的潜力。