Final results on the $$0\nu \beta \beta $$ decay half-life limit of $$^{100}$$Mo from the CUPID-Mo experiment
C. Augier, A. S. Barabash, F. Bellini, G. Benato, M. Beretta, L. Bergé, J. Billard, Yu. A. Borovlev, L. Cardani, N. Casali, A. Cazes, M. Chapellier, D. Chiesa, I. Dafinei, F.A. Danevich, M. De Jésus, P. de Marcillac, T. Dixon, L. Dumoulin, K. Eitel, F. Ferri, B. K. Fujikawa, J. Gascon, L. Gironi, A. Giuliani, V. D. Grigorieva, M. Gros, D. Helis, H. Z. Huang, R.G. Huang, L. Imbert, J. Johnston, A. Juillard, H. Khalife, M. Kleifges, V. Kobychev, Yu.G. Kolomensky, С. И. Коновалов, P. Loaiza, L. Ma, E. P. Makarov, R. Mariam, L. Marini, S. Marnieros, X.-F. Navick, C. Nones, E. B. Norman, E. Olivieri, J. L. Ouellet, L. Pagnanini, L. Pattavina, B. Paul, M. Pavan, H. Peng, G. Pessina, S. Pirro, D. V. Poda, O. G. Polischuk, S. Pozzi, E. Previtali, T. Redon, A. Rojas, S. Rozov, V. Sanglard, J. A. Scarpaci, B. Schmidt, Yang Shen, V.N. Shlegel, V. Singh, C. Tomei, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, L. Vagneron, M. Velázquez, B. Welliver, L. A. Winslow, M. Xue, E. Yakushev, M. M. Zarytskyy, A. Zolotarova
Abstract
Abstract The CUPID-Mo experiment to search for 0 $$\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> decay in $$^{100}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>100</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> Mo has been recently completed after about 1.5 years of operation at Laboratoire Souterrain de Modane (France). It served as a demonstrator for CUPID, a next generation 0 $$\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> decay experiment. CUPID-Mo was comprised of 20 enriched $$\hbox {Li}_{{2}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mtext>Li</mml:mtext> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> </mml:math> $$^{100}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>100</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> $$\hbox {MoO}_4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mtext>MoO</mml:mtext> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:msub> </mml:math> scintillating calorimeters, each with a mass of $$\sim 0.2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>0.2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> kg, operated at $$\sim 20$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>∼</mml:mo> <mml:mn>20</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> mK. We present here the final analysis with the full exposure of CUPID-Mo ( $$^{100}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>100</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> Mo exposure of 1.47 $$\hbox {kg} \times \hbox {year}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtext>kg</mml:mtext> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mtext>year</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:math> ) used to search for lepton number violation via 0 $$\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> decay. We report on various analysis improvements since the previous result on a subset of data, reprocessing all data with these new techniques. We observe zero events in the region of interest and set a new limit on the $$^{100}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mn>100</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> Mo 0 $$\nu \beta \beta $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> decay half-life of $$T_{1/2}^{0\nu }$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup> <mml:mi>T</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> $$> {1.8}\times 10^{24}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mrow> <mml:mn>1.8</mml:mn> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>24</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> year (stat. + syst.) at 90% CI. Under the light Majorana neutrino exchange mechanism this corresponds to an effective Majorana neutrino mass of $$\left<m_{\beta \beta }\right>$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mfenced> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mi>β</mml:mi> <mml:mi>β</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mfenced> </mml:math> $$<~{(0.28{-}0.49)} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo><</mml:mo> <mml:mspace/> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>0.28</mml:mn> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>0.49</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> eV, dependent upon the nuclear matrix element utilized.