面向无中微子双贝塔衰变实验的量子点液体闪烁体研究

Neutrino-less double beta decay experiment is one of the most important experiments in the field of neutrino because it can determine the Majorana property and can measure the effective mass of neutrinos. By considering the reality of China, Jiangmen neutrino experiment JUNO can do 0vββ decay experiment after the completion of mass hierarchy measurement, by placed a liquid scintillator ball loaded by 0vββ decay nuclide in the center of the JUNO detector. The key issues are how to load 0vββ decay nuclide into the liquid scintillator of the JUNO experiment, and how about the radioactive background and detection performance. In addition, how to improve the energy resolution from the JUNO’s 3% @ 1MeV to 0vββ experimental requirements of 1% @ 2.4MeV is also a key issue. In view of the above problems, quantum dots are proposed as the carrier for loading the 0vββ decay nuclide, and the performance after loading will be studied. Furthermore, a new type of liquid scintillator with quantum dots as luminescent material will be researches. This project is an original innovation combining with the frontier of the neutrino and scintillator, and has great significance to the future 0vββ decay experiment in China.

无中微子双beta衰变实验，因其可判定中微子的Majorana属性，并且可以间接测量中微子的质量，成为中微子前沿领域最重要的实验之一。结合中国的实际，江门中微子实验JUNO在完成质量顺序测量后，可在其探测器中心放置一个加载0vββ衰变核素的液闪球，进行0vββ衰变测量。怎样将0vββ衰变核素加载到JUNO实验的液体闪烁体内，怎样降低其放射性本底？是亟待研究的问题。另外，能量分辨率由JUNO实验的3%@1MeV提高到0vββ实验要求的1%@2.4MeV，怎样提高液闪的光产额也是关键问题。本项目针对以上问题，建议以量子点为载体加载0vββ衰变核素，研究加载量子点后的液闪性能，进而研究以量子点为发光物质的新型液体闪烁体。本项目瞄准中微子实验前沿与闪烁体研究前沿，具有原创性，对我国0vββ衰变实验具有重要意义。

江门中微子实验计划在完成中微子质量顺序测量目标后，将探测器改造为无中微子双贝塔衰变实验探测器。将无中微子双贝塔衰变元素掺入液闪是亟待解决的难题，本研究针对这一目标，提出采用量子点等方式进行元素加载，开展了相关研究工作。成功将Cd，Se两种无中微子双贝塔衰变核素加载到液闪中，并进行了多种配方的实验研究，结果表明所研制的量子点液闪对电离辐射灵敏，发射谱与光致发光相同，加入第一发光物质通过光子的能量传递更有效，峰位可调，可以更好的与光电器件的量子效率峰匹配。缺点是自吸收比较大，探测器做大存在挑战。研究了将碲元素加载到液闪中的方法，找到了一种有机物，可以方便的将碲溶解在液闪中形成透明溶液，还存在自吸收峰与现有发光物质的发射谱重叠的问题需要解决。研究了耐低温液闪，性能达到国际领先，应用于江门中微子实验近点探测器。研究了液闪的本征能量分辨率，采用创新的测量方法，在国际上首次准确测量了液闪的本征能量分辨率，为江门中微子实验提供了重要参数。研究了液闪的SiPM读出技术，应用于江门中微子实验近点探测器和GECAM空间实验。