Development of 100Mo100Mo<math> <mrow><msup><mrow></mrow> <mn>100</mn></msup> <mtext>Mo</mtext></mrow> </math> -containing scintillating bolometers for a high-sensitivity neutrinoless double-beta decay search

This paper reports on the development of a technology involving 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; -enriched scintillating bolometers, compatible with the goals of CUPID, a proposed next-generation bolometric experiment to search for neutrinoless double-beta decay. Large mass ( ∼1kg∼1kg&lt;math&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;∼&lt;/mo&gt; &lt;mn&gt;1&lt;/mn&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;mtext&gt;kg&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; ), high optical quality, radiopure 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; -containing zinc and lithium molybdate crystals have been produced and used to develop high performance single detector modules based on 0.2-0.4 kg scintillating bolometers. In particular, the energy resolution of the lithium molybdate detectors near the Q-value of the double-beta transition of 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; (3034 keV) is 4-6 keV FWHM. The rejection of the αα&lt;math&gt;&lt;mi&gt;α&lt;/mi&gt;&lt;/math&gt; -induced dominant background above 2.6 MeV is better than 8σ8σ&lt;math&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;8&lt;/mn&gt; &lt;mi&gt;σ&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; . Less than 10μBq/kg10μBq/kg&lt;math&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;10&lt;/mn&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;mi&gt;μ&lt;/mi&gt; &lt;mtext&gt;Bq/kg&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; activity of 232Th(228Th)232Th(228Th)&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;232&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Th&lt;/mtext&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mo&gt;(&lt;/mo&gt; &lt;mn&gt;228&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Th&lt;/mtext&gt; &lt;mo&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; and 226Ra226Ra&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;226&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Ra&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; in the crystals is ensured by boule recrystallization. The potential of 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; -enriched scintillating bolometers to perform high sensitivity double-beta decay searches has been demonstrated with only 10kg×d10kg×d&lt;math&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;10&lt;/mn&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;mtext&gt;kg&lt;/mtext&gt; &lt;mo&gt;×&lt;/mo&gt; &lt;mtext&gt;d&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; exposure: the two neutrino double-beta decay half-life of 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; has been measured with the up-to-date highest accuracy as T1/2T1/2&lt;math&gt;&lt;msub&gt;&lt;mi&gt;T&lt;/mi&gt; &lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;1&lt;/mn&gt; &lt;mo&gt;/&lt;/mo&gt; &lt;mn&gt;2&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/msub&gt; &lt;/math&gt; = [6.90 ± 0.15(stat.) ± 0.37(syst.)] ×1018years×1018years&lt;math&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;×&lt;/mo&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;msup&gt;&lt;mn&gt;10&lt;/mn&gt; &lt;mn&gt;18&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mspace&gt;&lt;/mspace&gt; &lt;mtext&gt;years&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; . Both crystallization and detector technologies favor lithium molybdate, which has been selected for the ongoing construction of the CUPID-0/Mo demonstrator, containing several kg of 100Mo100Mo&lt;math&gt; &lt;mrow&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;mn&gt;100&lt;/mn&gt;&lt;/msup&gt; &lt;mtext&gt;Mo&lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt; &lt;/math&gt; .