First results from the AMoRE-Pilot neutrinoless double beta decay experiment

Abstract The advanced molybdenum-based rare process experiment (AMoRE) aims 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 $$^{100}$$ <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 with $$\sim 100\,\hbox {kg}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>kg</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> of $$^{100}$$ <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-enriched molybdenum embedded in cryogenic detectors with a dual heat and light readout. At the current, pilot stage of the AMoRE project we employ six calcium molybdate crystals with a total mass of 1.9 kg, produced from $$^{48}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow/><mml:mn>48</mml:mn></mml:msup></mml:math> Ca-depleted calcium and $$^{100}$$ <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-enriched molybdenum ( $$^{48{{\text {depl}}}}\hbox {Ca}^{100}\hbox {MoO}_{4}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mn>48</mml:mn><mml:mtext>depl</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mtext>Ca</mml:mtext><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> ). The simultaneous detection of heat (phonon) and scintillation (photon) signals is realized with high resolution metallic magnetic calorimeter sensors that operate at milli-Kelvin temperatures. This stage of the project is carried out in the Yangyang underground laboratory at a depth of 700 m. We report first results from the AMoRE-Pilot $$0\nu \beta \beta $$ <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> search with a 111 kg day live exposure of $$^{48{{\text {depl}}}}\hbox {Ca}^{100}\hbox {MoO}_{4}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mn>48</mml:mn><mml:mtext>depl</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mtext>Ca</mml:mtext><mml:mn>100</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mtext>MoO</mml:mtext><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals. No evidence for $$0\nu \beta \beta $$ <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 of $$^{100}$$ <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 is found, and a upper limit is set for the half-life of $$0\nu \beta \beta $$ <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 $$^{100}$$ <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 of $$T^{0\nu }_{1/2} &gt; 9.5\times 10^{22}~\hbox {years}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><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:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>9.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>22</mml:mn></mml:msup><mml:mspace/><mml:mtext>years</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> at 90% C.L. This limit corresponds to an effective Majorana neutrino mass limit in the range $$\langle m_{\beta \beta }\rangle \le (1.2-2.1)\,\hbox {eV}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2.1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>eV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> .