ZnMoO4: a promising bolometer for neutrinoless double beta decay searches

We investigate the performances of two ZnMoO4 scintillating crystals operated as bolometers, in view of a next generation experiment to search the neutrinoless double beta decay of Mo-100. We present the results of the alpha vs beta/gamma discrimination, obtained through the scintillation light as well as through the study of the shape of the thermal signal alone. The discrimination capability obtained at the 2615 keV line of Tl-208 is 8 sigma, using the heat-light scatter plot, while it exceeds 20 sigma using the shape of the thermal pulse alone. The achieved FWHM energy resolution ranges from 2.4 keV (at 238 keV) to 5.7 keV (at 2615 keV). The internal radioactive contaminations of the ZnMoO4 crystals were evaluated through a 407 hours background measurement. The obtained limit is < 32 microBq/kg for Th-228 and Ra-226. These values were used for a Monte Carlo simulation aimed at evaluating the achievable background level of a possible, future array of enriched ZnMoO4 crystals.Comment: 9 pages, 8 figure

Growing of ZnWO₄ single crystals from melt by the low thermal gradient Czochralski technique

The shape formation regularities of ZnWO₄ scintillation crystals grown along the [001] and [010] directions by the low-temperature-gradient Czochralski technique have been studied. It has been established that increasing crystallization speed is accompanied by the development of faceted shapes at the crystallization front. The inclusion-free crystals can be grown with both completely rounded or completely faceted solid-liquid interface, while the coexistence of faceted and rounded surfaces may result in capturing inclusions at their boundaries. The inclusion-free ZnWO₄ crystals of 45 mm diameter and the length up to 150 mm have been grown. Absorption spectra of the crystals prior to and after annealing have been measured. For the samples of d40 and l=40 mm size, the energy resolution of 11 % for gamma radiation with the energy of 662 keV has been obtained.Досліджено закономірності формоутворення сцинтиляційних кристалів ZnWO₄ при їх рості низькоградієнтним методом Чохральського у напрямах [001] та [010]. Встановлено, що збільшення швидкості кристалізації супроводжується розвитком на фронті кристалізації огранованих форм. Кристали, вільні від включень, утворюються як при повністю округлому, так і при повністю ограненому фронті кристалізації, в той час як співіснування огранених та округлих форм може супроводжуватися захопленням включень на їхніх межах. Вирощено вільні від включень кристали ZnWO₄ діаметром 45 та довжиною до 150 мм. Виміряно спектри поглинання кристалів до та після їх відпалу. Для зразків d40 та l=40 мм одержано енергетичне розрішення 11 % для гамма-випромінювання з енергією 662 кеВ.Изучены закономерности формообразования сцинтилляционных кристаллов ZnWO₄ при их росте низкоградиентным методом Чохральского по направлениям [001] и [010]. Установлено, что повышение скорости кристаллизации сопровождается развитием на фронте кристаллизации гранных форм. Кристаллы, свободные от включений, образуются как при полностью округлом, так и при полностью гранном фронте кристаллизации, тогда как сосуществование гранных и округлых форм может сопровождаться захватом включений на их границах. Выращены свободные от включений кристаллы ZnWO₄ диаметром 45 и длиной до 150 мм. Измерены спектры поглощения кристаллов до и после их отжига. Для образцов размером d40 и длиной 40 мм получено энергетическое разрешение 11 % для гамма-излучения с энергией 662 keV

An Improved ZnMoO4 Scintillating Bolometer for the Search for Neutrinoless Double Beta Decay of Mo-100

We present a prototype scintillating bolometer for the search for neutrinoless double beta decay of Mo-100, consisting of a single a parts per thousand 5 g ZnMoO4 crystal operated aboveground in the 20-30 mK temperature range. The scintillation light is read out by two thin Ge bolometers. The phonon signals are collected by NTD Ge thermistors. The ZnMoO4 crystal was grown with an advanced method (low-thermal-gradient Czochralski technique) and after purification of molybdenum. The results are very encouraging: the intrinsic energy resolution of the heat channel is a parts per thousand 800 eV FWHM, the alpha/beta rejection factor (crucial for background suppression) is better than 99.9% in the region of interest for double beta decay (a parts per thousand 3 MeV), and the radiopurity of ZnMoO4 looks substantially improved with respect to previous devices

Search for double-\beta decay of \{106}Cd by using isotopically enriched \{106}CdWO_{4} crystal scintillator

A search for double β processes in 106Cd was carried out at the Gran Sasso National Laboratories of the INFN (Italy) by using a CdWO4 crystal scintillator (mass of 215 g) enriched in 106Cd up to 66%. After 6590 h of data taking, half-life limits on double beta processes in 106Cd were set at level of 1019 −1021 yr. A possible resonant enhancement of the 0ν2ε processes has also been estimated in the framework of the QRPA approach.peerReviewe