[논문 리뷰] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure $^{136}$Xe Gas Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu외 68명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 27.

Neutrino Physics Research인용 수 11

한 줄 요약

PandaX-III는 중국 지닌 지하실험소(CJPL)에서 중성미자 없는 이중베타붕괴(NLDBD)를 탐색하기 위해 고압 136Xe 기체 시간투영실(TPC)을 제안한다. 전자 신호 탐지에 마이크로메가스와 잠재적으로 저노이즈, 방사능 순도가 높은 독자적 읽기 칩을 사용한다. 200kg TPC 모듈을 바탕으로 3년 간의 데이터 수집으로 반감기 감도를 10^26년 수준으로 확보하고, 단계적 접근을 통해 총 질량 1톤으로 확장하면 10^27년 수준까지 향상된다.

ABSTRACT

Searching for the Neutrinoless Double Beta Decay (NLDBD) is now regarded as the topmost promising technique to explore the nature of neutrinos after the discovery of neutrino masses in oscillation experiments. PandaX-III (Particle And Astrophysical Xenon Experiment III) will search for the NLDBD of $^{136}$Xe at the China Jin Ping underground Laboratory (CJPL). In the first phase of the experiment, a high pressure gas Time Projection Chamber (TPC) will contain 200 kg, 90% $^{136}$Xe enriched gas operated at 10 bar. Fine pitch micro-pattern gas detector (Microbulk Micromegas) will be used at both ends of the TPC for the charge readout with a cathode in the middle. Charge signals can be used to reconstruct tracks of NLDBD events and provide good energy and spatial resolution. The detector will be immersed in a large water tank to ensure $\sim$5 m of water shielding in all directions. The second phase, a ton-scale experiment, will consist of five TPCs in the same water tank, with improved energy resolution and better control over backgrounds.

연구 동기 및 목표

• 중국 지닌 지하실험소(CJPL)에서 고압 기체 시간투영실(TPC)을 사용해 136Xe에서 중성미자 없는 이중베타붕괴(NLDBD)를 탐색한다.
• 고도로 발전된 TPC 설계와 저노이즈, 방사능 순도가 높은 전자기기로 높은 에너지 해상도와 배경 신호 억제를 달성한다.
• 200kg TPC 모듈에서 출발하여 점진적으로 확장하는 가용성 있는 단계적 실험 접근법을 개발한다. 최종적으로 활성 질량 1톤을 달성한다.
• 상하이 교통대학교(SJTU)에서 현재 설치 중인 20kg 프로토타입 TPC와 마이크로메가스 읽기 방식을 통해 탐지기 개념을 검증한다.
• 미래의 향상 사항을 탐색한다. 예를 들어, 절대 시간 측정(t₀)을 위한 적외선 민감도가 높은 광검출기 도입을 통해 배경 신호 억제 성능을 향상시킬 수 있다.

제안 방법

• 첫 번째 단계에서 활성 질량 200kg의 고압 136Xe 기체 TPC를 사용하고, 두 번째 단계에서 총 질량 1톤으로 확장한다.
• 이온화 전자 수확을 위해 마이크로메가스 읽기 방식을 적용하고, 전자기 노이즈를 100 e⁻ 이하로 줄이기 위해 저노이즈, 방사능 순도가 높은 전자기기를 사용한다.
• 1–2mm 크기의 읽기 패드를 약 5mm 간격으로 배열하고, 고전압 필드 형상 조절 스트립을 둘러싸서 전자 집중 및 입력 커패시턴스 감소를 도모한다.
• 읽기 평면 상단에 프리쉬 메쉬를 통합하여 에너지 해상도 향상과 위치 왜곡 감소를 달성한다.
• 저노이즈, 방사능 순도가 높은 IDeF-X 칩을 활용한 대안적 읽기 방식을 탐색하며, 이 칩은 내재 노이즈 30 e⁻, 총 노이즈 10 pF 커패시턴스에서 100 e⁻ 이하 수준을 기대할 수 있다.
• 아크릴 패널에 적외선 민감도가 높은 광검출기(850–1200 nm)를 추가하여 절대 사건 시간 측정(t₀)을 가능하게 하되, 이는 기본 설계에 포함되지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 136Xe 기체 TPC는 중성미자 없는 이중베타붕괴를 탐지하기에 충분한 에너지 해상도와 배경 억제 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 저배경 환경에서 대규모 TPC에 최적화된 읽기 아키텍처로 마이크로메가스와 저노이즈 통합 칩 중 어느 것이 더 유리한가?
• RQ3 직접 측정하지 않는 TPC에서 절대 시간(t₀)을 어떻게 복원할 수 있으며, 이는 배경 억제 성능에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 3년 간의 데이터 수집 기간 동안 200kg TPC와 총 질량 1톤일 경우 PandaX-III 실험에서 확보 가능한 반감기 감도는 얼마인가?
• RQ5 마이크로메가스 읽기 방식을 갖춘 20kg 프로토타입 TPC가 전체 실험에 필요한 성능을 성공적으로 입증할 수 있는가?

주요 결과

• 200kg TPC 모듈은 3년 간의 데이터 수집 후 136Xe NLDBD에 대해 반감기 감도 10^26년을 확보할 것으로 예상된다.
• 총 활성 질량 1톤과 3년 간의 실시간 데이터 수집 기간을 고려할 경우, 전체 실험은 반감기 감도 한계 10^27년에 도달할 것이다.
• 마이크로메가스 읽기 방식을 갖춘 20kg 프로토타입 TPC는 현재 상하이 교통대학교(SJTU)에서 설치 중이다.
• 저노이즈, 방사능 순도가 높은 읽기 전자기기(예: IDeF-X 칩)는 10 pF 입력 커패시턴스에서 전자기 노이즈를 100 e⁻ 이하로 낮출 수 있으며, 이는 2.5 MeV 사건에서 에너지 해상도가 약 1% 수준으로 가능함을 의미한다.
• 프리쉬 메쉬와 필드 형상 조절 스트립의 사용은 TPC 내에서 에너지 해상도 향상과 전자 수확 효율 증가에 기여한다.
• 미래에 아크릴 패널에 적외선 민감도가 높은 광검출기를 통합하면 절대 시간(t₀) 측정이 가능해져 배경 억제 성능 향상이 기대되나, 이는 기본 설계에 포함되지 않는다.