New measurement of double beta decays of $^{100}$Mo to excited states of $^{100}$Ru with the CUPID-Mo experiment
C. Augier
(1)
,
A.S. Barabash
,
F. Bellini
,
G. Benato
,
M. Beretta
,
L. Bergé
(2)
,
J. Billard
(1)
,
Yu. Borovlev
,
L. Cardani
,
N. Casali
,
A. Cazes
(1)
,
M. Chapellier
(2)
,
D. Chiesa
,
I. Dafinei
,
F.A. Danevich
,
M. de Jesus
(1)
,
T. Dixon
(2, 3)
,
L. Dumoulin
(2)
,
K. Eitel
,
F. Ferri
(3)
,
B.K. Fujikawa
,
J. Gascon
(1)
,
L. Gironi
,
A. Giuliani
(2)
,
V.D. Grigorieva
,
M. Gros
(3)
,
D.L. Helis
(3)
,
H.Z. Huang
,
R. Huang
,
L. Imbert
(2)
,
J. Johnston
,
A. Juillard
(1)
,
H. Khalife
(2)
,
M. Kleifges
,
V.V. Kobychev
,
Yu. Kolomensky
,
S.I. Konovalov
,
J. Kotila
,
P. Loaiza
(2)
,
L. Ma
,
E.P. Makarov
,
P. de Marcillac
(2)
,
R. Mariam
(2)
,
L. Marini
,
S. Marnieros
(2)
,
X.-F. Navick
(3)
,
C. Nones
(3)
,
E.B. Norman
,
E. Olivieri
(2)
,
J.L. Ouellet
,
L. Pagnanini
,
L. Pattavina
,
B. Paul
(3)
,
M. Pavan
,
H. Peng
,
G. Pessina
,
S. Pirro
,
D.V. Poda
(2)
,
O.G. Polischuk
,
S. Pozzi
,
E. Previtali
,
Th. Redon
(2)
,
A. Rojas
(4)
,
S. Rozov
,
V. Sanglard
(1)
,
J.A. Scarpaci
(2)
,
B. Schmidt
,
Y. Shen
,
V.N. Shlegel
,
V. Singh
,
C. Tomei
,
V.I. Tretyak
,
V.I. Umatov
,
L. Vagneron
(1)
,
M. Velázquez
(5)
,
B. Welliver
,
L. Winslow
,
M. Xue
,
E. Yakushev
,
M. Zarytskyy
,
A.S. Zolotarova
(2)
1
IP2I Lyon -
Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
2 IJCLab - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
3 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
4 LSMUMR6417 - Laboratoire Souterrain de Modane
5 SIMaP - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
2 IJCLab - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
3 IRFU - Institut de Recherches sur les lois Fondamentales de l'Univers
4 LSMUMR6417 - Laboratoire Souterrain de Modane
5 SIMaP - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
A.S. Barabash
- Fonction : Auteur
F. Bellini
- Fonction : Auteur
G. Benato
- Fonction : Auteur
M. Beretta
- Fonction : Auteur
Yu. Borovlev
- Fonction : Auteur
L. Cardani
- Fonction : Auteur
N. Casali
- Fonction : Auteur
D. Chiesa
- Fonction : Auteur
I. Dafinei
- Fonction : Auteur
F.A. Danevich
- Fonction : Auteur
K. Eitel
- Fonction : Auteur
B.K. Fujikawa
- Fonction : Auteur
L. Gironi
- Fonction : Auteur
V.D. Grigorieva
- Fonction : Auteur
H.Z. Huang
- Fonction : Auteur
R. Huang
- Fonction : Auteur
J. Johnston
- Fonction : Auteur
M. Kleifges
- Fonction : Auteur
V.V. Kobychev
- Fonction : Auteur
Yu. Kolomensky
- Fonction : Auteur
S.I. Konovalov
- Fonction : Auteur
J. Kotila
- Fonction : Auteur
- PersonId : 1247991
- ORCID : 0000-0001-9207-5824
L. Ma
- Fonction : Auteur
E.P. Makarov
- Fonction : Auteur
L. Marini
- Fonction : Auteur
E.B. Norman
- Fonction : Auteur
J.L. Ouellet
- Fonction : Auteur
L. Pagnanini
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L. Pattavina
- Fonction : Auteur
M. Pavan
- Fonction : Auteur
H. Peng
- Fonction : Auteur
G. Pessina
- Fonction : Auteur
S. Pirro
- Fonction : Auteur
O.G. Polischuk
- Fonction : Auteur
S. Pozzi
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E. Previtali
- Fonction : Auteur
S. Rozov
- Fonction : Auteur
B. Schmidt
- Fonction : Auteur
Y. Shen
- Fonction : Auteur
V.N. Shlegel
- Fonction : Auteur
V. Singh
- Fonction : Auteur
C. Tomei
- Fonction : Auteur
V.I. Tretyak
- Fonction : Auteur
V.I. Umatov
- Fonction : Auteur
B. Welliver
- Fonction : Auteur
L. Winslow
- Fonction : Auteur
M. Xue
- Fonction : Auteur
E. Yakushev
- Fonction : Auteur
M. Zarytskyy
- Fonction : Auteur
Résumé
The CUPID-Mo experiment, located at Laboratoire Souterrain de Modane (France), was a demonstrator experiment for CUPID. It consisted of an array of 20 Li$_2^{100}$MoO$_4$ (LMO) calorimeters each equipped with a Ge light detector (LD) for particle identification. In this work, we present the result of a search for two-neutrino and neutrinoless double beta decays of $^{100}$Mo to the first 0$^+$ and $2^+$ excited states of $^{100}$Ru using the full CUPID-Mo exposure (2.71 kg$\times$yr of LMO). We measure the half-life of $2\nu\beta\beta$ decay to the $0^{+}_1$ state as $T_{1/2}^{2\nu \rightarrow 0_1^+}=7.5\pm 0.8 \ \text{(stat.)} \ ^{+ 0.4}_{-0.3} \ \text{(syst.)} )\times 10^{20} \ \mathrm{yr}$. The bolometric technique enables measurement of the electron energies as well as the gamma rays from nuclear de-excitation and this allows us to set new limits on the two-neutrino decay to the $2_1^+$ state of $T^{2\nu \rightarrow 2_1^+}_{1/2}>4.4\times 10^{21} \ \mathrm{yr} \ \text{(90 % c.i.)}$ and on the neutrinoless modes of $T_{1/2}^{0\nu\rightarrow 2_1^+}>2.1\times10^{23} \ \mathrm{yr}\ \text{(90 % c.i.)}$, $T_{1/2}^{0\nu\rightarrow 0_1^+}>1.2\times10^{23} \ \mathrm{yr}\ \text{(90 % c.i.)}$. Information on the electrons spectral shape is obtained which allows us to make the first comparison of the single state (SSD) and higher state (HSD) $2\nu\beta\beta$ decay models for the $0_1^+$ excited state of $^{100}$Ru.