[논문 리뷰] Status and prospects of the NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J.J. Gómez-Cadenas|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 04.

Neutrino Physics Research참고 문헌 25인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 없는 이중베타붕괴를 탐색하기 위해 고압 킵톤 기반 시간분리판 (HPXe-EL)을 사용하는 NEXT 실험의 현황과 향후 전망을 제시한다. Canfranc 지하 실험소에 위치한 NEXT-White 시범 장치는 에너지 해상도와 위상 재구성 기술을 검증하였으며, 2020년에 운영을 시작할 예정인 NEXT-100(100 kg 킵톤)은 배경이 없는 작동을 목표로 하고 있다. 향후 단계인 NEXT-HD와 NEXT-BOLD은 향상된 에너지 해상도와 바륨 이온 태깅을 통해 톤 스케일, 초저배경 탐지기를 실현할 계획이다.

ABSTRACT

NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) is an experimental program whose goals are to discover neutrinoless double beta decay using $^{136}$Xe in high pressure xenon TPCs with electroluminescent readout. In this paper, results from the NEXT-White detector, which is currently taking data at Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) will be reported. The prospects for the NEXT-100 apparatus, scheduled to start operations in 2020, as well as the plans to extend the technology to large and ultra-low background detectors needed to fully explore the inverse hierarchy of neutrino masses, will also be briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 배경이 없는 중성미자 없는 이중베타붕괴 탐색을 위해 고압 킵톤 기체 시간분리판(HPXe-EL TPC)과 전기발광 읽기 기술을 개발하고 검증하는 것.
• Canfranc 지하 실험소에 위치한 NEXT-White 탐지기에서 5 kg의 풍부한 $^{136}$Xe를 사용하여 기술의 실현 가능성을 입증하는 것.
• 15 bar 킵톤과 최적화된 방사능 순도를 사용하여 100 kg 스케일에서 배경이 없는 작동을 달성하는 NEXT-100 실험의 목표를 설정하는 것.
• 향후 세대 기술인 NEXT-HD와 NEXT-BOLD을 탐색하여 초저배경을 갖춘 톤 스케일의 탐지기를 실현하는 것.
• 향상된 에너지 해상도와 바륨 이온 태깅을 통해 반대 중성미자 질량 계층을 탐색할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 이중베타붕괴에서 발생하는 이온화 및 형광 신호를 탐지하기 위해 시간분리판(TPC) 내에 고압 킵톤 기체(15 bar)를 사용한다.
• 아노드에서 이온화 전자의 증폭을 위해 전기발광(EL)을 활용하여 2차 형광(S2) 빛을 생성한다.
• 두 개의 광감지기 평면을 사용한다: 에너지 측정 및 S1 타이밍을 위해 에너지 평면에 위치한 PMT와, 횡방향 위치 재구성을 위해 트래킹 평면에 위치한 SiPM을 사용한다.
• 초기 형광(S1)에서 발생하는 진공 자외선(VUV) 광자(~172 nm)를 아노드에 코팅된 TPB를 통해 가시광선으로 변환한다.
• 방사능 순수 재료(예: 316Ti 스테인리스강, HDPE, 구리)와 lead 쉘드를 사용하여 배경 방사선을 최소화한다.
• 두 가지 향후 방향을 탐색한다: 에너지 해상도 향상과 배경 예산 감소를 위한 NEXT-HD, 그리고 표면에 결합된 형광 지표를 통해 단일 Ba++ 이온의 지연 공진 탐지를 위한 NEXT-BOLD.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 킵톤 TPC와 전기발광 읽기 기술이 중성미자 없는 이중베타붕괴 탐색에 필요한 에너지 해상도와 배경 억제 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 NEXT-White 시범 장치는 저배경 지하 환경에서 HPXe-EL 기술을 성공적으로 검증할 수 있는가?
• RQ3 NEXT-100은 15 bar 킵톤과 최적화된 방사능 순도를 사용하여 100 kg 스케일에서 배경이 없는 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ4 단일 분자 형광 영상(SMFI)을 통한 바륨 이온 태깅이 향후 톤 스케일 탐지기에서 진정으로 배경이 없는 탐지를 가능하게 하는가?
• RQ5 NEXT가 반대 중성미자 질량 계층을 탐색하기 위해 필요한 민감도와 노출량은 얼마인가?

주요 결과

• Canfranc 지하 실험소에 위치한 NEXT-White 탐지기는 5 kg의 풍부한 $^{136}$Xe를 사용하여 핵심 HPXe-EL TPC 기술, 즉 에너지 해상도와 위상 재구성 능력을 성공적으로 검증하였다.
• 2020년에 운영을 시작할 예정인 NEXT-100은 15 bar 킵톤과 최적화된 방사능 순도를 사용하여 100 kg 스케일에서 배경이 없는 작동을 달성할 것으로 기대된다.
• NEXT-HD 경로는 6 t·yr 노출로 반감기 민감도 $2 \times 10^{27}$ 년을 달성할 것으로 예측되며, 반대 중성미자 질량 계층을 목표로 한다.
• NEXT-BOLD 접근법은 SMFI를 통한 단일 Ba++ 이온 태깅을 활용하여 10 t·yr 노출 후 민감도 $8 \times 10^{27}$ 년을 달성할 수 있으며, 진정으로 배경이 없는 작동을 가능하게 한다.
• 초기 개념 실험은 건조 매질에서 단일 Ba++ 이온 탐지를 성공적으로 입증하였지만, 건조 환경에 적합하고 고대비 형광 지표를 개발하는 데 도전 과제가 남아 있다.
• 건조 환경에서도 발광할 수 있는 새로운 형광 지표가 합성되어, 향후 HPXe-EL 탐지기에서 바륨 이온 태깅의 실현 가능성을 뒷받침한다.