The CUPID-Mo experiment for neutrinoless double-beta decay: performance and prospects
E. Armengaud, C. Augier, A. S. Barabash, F. Bellini, G. Benato, Alexandre Benoît, M. Beretta, L. Bergé, J. Billard, Yu. A. Borovlev, C. Bourgeois, M. Briére, V. Brudanin, P. Camus, L. Cardani, N. Casali, A. Cazes, M. Chapellier, F. Charlieux, M. de Combarieu, I. Dafinei, F.A. Danevich, M. De Jésus, L. Dumoulin, K. Eitel, E. Elkhoury, F. Ferri, B. K. Fujikawa, J. Gascon, L. Gironi, A. Giuliani, V. D. Grigorieva, M. Gros, C. Guérard, D. Helis, H. Z. Huang, R.G. Huang, J. Johnston, A. Juillard, H. Khalife, M. Kleifges, V. Kobychev, Yu.G. Kolomensky, С. И. Коновалов, A. Leder, P. Loaiza, L. Ma, E. P. Makarov, P. de Marcillac, L. Marini, S. Marnieros, D. Misiak, X.-F. Navick, C. Nones, V. Novati, E. Olivieri, J. L. Ouellet, L. Pagnanini, P. Pari, L. Pattavina, B. Paul, M. Pavan, H. Peng, G. Pessina, S. Pirro, D. V. Poda, O. G. Polischuk, E. Previtali, T. Redon, S.V. Rozov, C. Rusconi, V. Sanglard, K. Schäffner, B. Schmidt, Yang Shen, V.N. Shlegel, B. Siebenborn, V. Singh, S. Sorbino, C. Tomei, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, L. Vagneron, M. Velázquez, M. Weber, B. Welliver, L. A. Winslow, M. Xue, E. Yakushev, A. Zolotarova
Abstract
Abstract CUPID-Mo is a bolometric experiment to search for neutrinoless double-beta decay ( $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> ) of $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . In this article, we detail the CUPID-Mo detector concept, assembly and installation in the Modane underground laboratory, providing results from the first datasets. The CUPID-Mo detector consists of an array of 20 $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> -enriched 0.2 kg $$\hbox {Li}_2\hbox {MoO}_4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Li</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals operated as scintillating bolometers at $$\sim 20\hbox { mK}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>mK</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . The $$\hbox {Li}_2\hbox {MoO}_4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>Li</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals are complemented by 20 thin Ge optical bolometers to reject $$\alpha $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math> events by the simultaneous detection of heat and scintillation light. We observe a good detector uniformity and an excellent energy resolution of 5.3 keV (6.5 keV) FWHM at 2615 keV, in calibration (physics) data. Light collection ensures the rejection of $$\alpha $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math> particles at a level much higher than 99.9% – with equally high acceptance for $$\gamma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math> / $$\beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math> events – in the region of interest for $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> . We present limits on the crystals’ radiopurity: $$\le 3~\mu \hbox {Bq/kg}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mspace/><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mtext>Bq/kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> of $$^{226}\hbox {Ra}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>226</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Ra</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> and $$\le 2~\mu \hbox {Bq/kg}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mspace/><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mtext>Bq/kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> of $$^{232}\hbox {Th}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>232</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Th</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> . We discuss the science reach of CUPID-Mo, which can set the most stringent half-life limit on the $$^{100}\hbox {Mo}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:mtext>Mo</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> decay in half-a-year’s livetime. The achieved results show that CUPID-Mo is a successful demonstrator of the technology developed by the LUMINEU project and subsequently selected for the CUPID experiment, a proposed follow-up of CUORE, the currently running first tonne-scale bolometric $$0\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:math> experiment.