[논문 리뷰] Measurement of radon-induced backgrounds in the NEXT double beta decay experiment

NEXT Collaboration, P. Novella외 80명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 타임 프로젝션 챔버에서 알파 및 전자 이벤트 빈도를 이용하여 NEXT-화이트 이중베타 붕괴 실험에서 라돈 유도 배경을 측정한다. 222Rn의 특정 활성도를 38.1 ± 2.2(통계) ± 5.9(계측) mBq/m³로 보고하며, 라돈 배경이 충분히 낮다는 것을 확인한다—NEXT-100에서의 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴 탐색에 있어 연간 0.1 건 이하로 예측된다.

ABSTRACT

The measurement of the internal $^{222}$Rn activity in the NEXT-White detector during the so-called Run-II period with $^{136}$Xe-depleted xenon is discussed in detail, together with its implications for double beta decay searches in NEXT. The activity is measured through the alpha production rate induced in the fiducial volume by $^{222}$Rn and its alpha-emitting progeny. The specific activity is measured to be $(38.1\pm 2.2~\mathrm{(stat.)}\pm 5.9~\mathrm{(syst.)})$~mBq/m$^3$. Radon-induced electrons have also been characterized from the decay of the $^{214}$Bi daughter ions plating out on the cathode of the time projection chamber. From our studies, we conclude that radon-induced backgrounds are sufficiently low to enable a successful NEXT-100 physics program, as the projected rate contribution should not exceed 0.1~counts/yr in the neutrinoless double beta decay sample.

연구 동기 및 목표

• 136Xe 농도가 낮은 크리프를 사용한 Run-II 동안 NEXT-화이트 타임 프로젝션 챔버 내부의 내재적 222Rn 활성도를 정량화하기 위해.
• 특히 214Bi를 포함한 라돈 붕괴 유산물이 탐지기의 유효 부피에서 전자 및 알파 배경 빈도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 라돈 유도 배경 기여도를 추정하여 NEXT-100 물리 프로그램의 가능성 여부를 평가하기 위해.
• 양극판에 침착한 유산물에서 기인하는 214Bi 전자 배경 빈도를 추정하기 위해 알파 생성 빈도를 프록시로 사용하는 것이 타당한지 검증하기 위해.
• 향후 톤 스케일의 NEXT 탐지기의 라돈 감소 전략(예: 활성 여과 시스템 포함)을 안내하기 위해.

제안 방법

• 유효 부피 내에서 222Rn 및 그 붕괴 체인으로부터 발생하는 알파 생성 빈도를 측정하여 222Rn의 특정 활성도를 유추하기 위해.
• 고라돈 및 저라돈 활성도 기간(E1 및 E2)의 데이터를 사용하여 드리프트 길이(Z)에서 전자 이벤트 분포를 분석하여 양극에 국한된 214Bi 붕괴를 식별하기 위해.
• 600 keV 이상의 전자 에너지 스펙트럼을 재구성하여 214Bi 붕괴와 일치하는 특징이 없는 베타 스펙트럼을 발견하기 위해.
• 동일 기간의 알파 데이터를 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 校정하여 전자 배경 빈도를 정규화하기 위해.
• 다양한 양극 배경 제거 효율성에 대한 가정을 바탕으로 222Rn 활성도를 외삽하여 NEXT-100의 라돈 유도 배경 빈도를 추정하기 위해.
• 배경 추정을 검증하기 위해 드리프트, 광학 및 전자기 응답 효과를 포함한 시뮬레이션된 NEXT-화이트 데이터에 대해 전체 2νββ 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Run-II 동안 136Xe 농도가 낮은 크리프를 사용한 NEXT-화이트 탐지기 내부에서의 내재적 222Rn 특정 활성도는 얼마인가?
• RQ2 라돈 유산물, 특히 214Bi는 양극에 침착함으로써 전자 배경에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 라돈 유도 배경은 탐지기 재료의 방사성 불순물(예: 60Co, 40K)에 의한 것과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 NEXT-100 실험에서 뉴트리노 없는 이중베타 붕괴 탐색에 있어 라돈 배경의 기여는 기대되는가?
• RQ5 알파 생성 빈도는 214Bi 전자 배경 빈도를 신뢰성 있게 추정하는 데 사용될 수 있으며, 수용 가능한 계측 불확실성 범위 내에 있는가?

주요 결과

• NEXT-화이트 탐지기 내부의 내재적 222Rn 특정 활성도는 (38.1 ± 2.2(통계) ± 5.9(계측)) mBq/m³로 측정되었다.
• 라돈 유도 전자 이벤트는 양극에서 뚜렷한 초과로 관측되었으며, 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보이며 222Rn 붕괴와 일치했다.
• 600 keV 이상의 전자 에너지 스펙트럼은 특징이 없었고, 214Bi 베타 붕괴와 일치했으며, 감마선 선의 증거는 없었다.
• 알파 데이터로부터 214Bi 전자 배경 빈도는 성공적으로 추정되었으며, 계측 불확실도는 약 20%였다.
• NEXT-100에서 0νββ 탐색에 대한 라돈 유도 배경 빈도는 ≤0.1 건/년으로 예측되었으며, 낙관적인 추정치는 0.07 ± 0.01 건/년이었다.
• NEXT-화이트에서의 라돈 유도 배경은 2νββ 이벤트 기준 (85 ± 14) 건/년이었으며, 60Co, 40K, 214Bi, 208Tl 불순물의 총 배경보다 두 개의 주기만큼 낮았다.