[논문 리뷰] The NEXT-100 experiment for neutrinoless double beta decay searches (Conceptual Design Report)

NEXT Collaboration, V. Álvarez외 81명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 18.

Neutrino Physics Research참고 문헌 39인용 수 41

한 줄 요약

NEXT-100 실험은 고압 헉신 기체 시간투영실을 사용하여 전기광비례 증폭 및 분할된 SiPM 기반 추적 기술을 통해 1% 미만의 에너지 해상도와 초저배경을 달성하고자 하며, 2013년까지 캔프란트 지하연구소에서 100kg의 136Xe 타겟을 이용해 무중성자 이중베타붕괴에 대한 경쟁력 있는 감도를 확보하고자 한다.

ABSTRACT

We propose an EASY (Electroluminescent ApparatuS of high Yield) and SOFT (Separated Optimized FuncTion) time-projection chamber for the NEXT experiment, that will search for neutrinoless double beta decay (bb0nu) in Xe-136. Our experiment must be competitive with the new generation of bb0nu searches already in operation or in construction. This requires a detector with very good energy resolution (<1%), very low background con- tamination (1E-4 counts/(keV \bullet kg \bullet y)) and large target mass. In addition, it needs to be operational as soon as possible. The design described here optimizes energy resolution thanks to the use of proportional electroluminescent amplification (EL); it is compact, as the Xe gas is under high pressure; and it allows the measurement of the topological signature of the event to further reduce the background contamination. The SOFT design uses different sensors for tracking and calorimetry. We propose the use of SiPMs (MPPCs) coated with a suitable wavelength shifter for the tracking, and the use of radiopure photomultipliers for the measurement of the energy and the primary scintillation needed to estimate the t0. This design provides the best possible energy resolution compared with other NEXT designs based on avalanche gain devices. The baseline design is an Asymmetric Neutrino Gas EL apparatus (ANGEL), which was already outlined in the NEXT LOI. ANGEL is conceived to be easy to fabricate. It requires very little R&D and most of the proposed solutions have already been tested in the NEXT-1 prototypes. Therefore, the detector can be ready by 2013. In this Conceptual Design Report (CDR) we discuss first the physics case, present a full design of the detector, describe the NEXT-1 EL prototypes and their initial results, and outline a project to build a detector with 100 kg of enriched xenon to be installed in the Canfranc Underground Laboratory in 2013.

연구 동기 및 목표

• 기존 및 계획 중인 실험들과 비교해 뛰어난 에너지 해상도와 배경 억제 능력을 갖춘 차세대 무중성자 이중베타붕괴 실험을 개발한다.
• 고압 136Xe 기체에서 이온화로 발생하는 전기광비례 광량을 이용해 1% 미만의 에너지 해상도를 달성한다.
• 별도의 추적 및 에너지 측정 평면을 사용한 위상적 이벤트 재구성으로 배경 오염을 약 ~10−4 개/(keV·kg·y) 수준으로 최소화한다.
• NEXT-1의 프로토타입 결과를 활용하고 R&D를 최소화하여 빠른 설치를 가능하게 하며, 2013년까지 100kg 검출기가 설치 가능하도록 한다.
• 초기 물리 실험 후 1톤의 풍부한 헉신으로의 확장 가능성을 확보한다. GERDA 및 XENON 업그레이드 모델을 따르는 방식이다.

제안 방법

• 고압 헉신 기체(5–10 bar)를 사용하여 타겟 질량과 이온화 수확량을 극대화하는 비대칭 중성자 기체 전기광비례(ANGEL) 검출기 설계를 구현한다.
• 비례 전기광비례(EL)를 이용해 이온화 전자를 감지 가능한 광 avalance로 증폭함으로써 에너지 측정을 위한 고신호 수확량을 확보한다.
• 검출기를 두 기능적 평면으로 분리한다: 이벤트 위상 재구성용 파장이동 물질 코팅된 SiPM(MPPCs)이 있는 추적 평면과 주 광방출 및 S2 신호 수집을 위한 방사능 순도가 확보된 PMT가 있는 에너지 평면.
• 바이트화 및 너비 우선 탐색 알고리즘을 사용한 위상 서명 분석을 통해 전자 유사 이중베타붕괴 이벤트와 배경 이벤트를 구분한다.
• 표준화된 구성 요소(예: SiPM 딸보드, PMT 프론트엔드 전자기기)를 사용한 모듈식이고 확장 가능한 설계를 통합하여 신속한 제작 및 시험을 가능하게 한다.
• 외부 배경을 억제하기 위해 lead-copper 성벽과 물 블록을 조합한 차폐 시스템을 사용하며, 냉각 트랩 및 기체 정화를 통해 라돈 오염을 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 헉신 기체 시간투영실에 전기광비례 증폭을 적용할 경우, 무중성자 이중베타붕괴 탐색에서 1% 미만의 에너지 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 분할된 SiPM 추적 기반의 위상적 이벤트 재구성은 136Xe 이중베타붕괴 실험에서 배경 오염을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 NEXT-100에서 달성 가능한 배경 수준은 얼마이며, 경쟁력 있는 감도를 확보하기 위해 필요한 약 ~10−4 개/(keV·kg·y) 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ4 NEXT-1의 프로토타입 결과(예: EL 수확량, 에너지 해상도, 이동 속도 등)는 100kg 검출기로의 확장 가능성을 어떻게 입증하는가?
• RQ5 검증된 구성 요소와 모듈식 구조를 사용할 경우, 최소한의 R&D로 ANGEL 설계를 제작하고 2013년까지 설치할 수 있는가?

주요 결과

• NEXT-1 프로토타입은 662 keV 감마선((Cs-137에서 유래)에 대해 약 1.5% FWHM의 에너지 해상도를 달성하여, 전체 NEXT-100 설계에서 1% 미만의 해상도 달성이 가능하다는 것을 입증했다.
• 5 bar에서 헉신 내 전기광비례 수확량은 약 1000개의 광자/초기 전자로 측정되어, 고신호 대 잡음 비율의 에너지 측정에 전기광비례를 활용할 수 있음을 뒷받침한다.
• NEXT1-IFIC 프로토타입에서 알파 입자 이벤트는 약 2.5% FWHM의 에너지 해상도로 재구성되었으며, 위상 기반의 배경 제거에 좋은 성능을 보였다.
• 5 bar에서 헉신 내 이동 속도는 약 100–120 mm/μs로 측정되었으며, 예상과 일치하고 TPC 운영에 적합하다.
• S2/S1 비율은 안정적이고 측정 가능했으며, 이벤트 재구성에 필요한 정밀한 타이밍(t₀) 결정이 가능했다.
• lead-copper 성벽과 물 블록을 포함한 차폐 설계는 외부 배경을 수용 가능한 수준으로 감소시킬 것으로 예측되며, 전체 시스템의 총 비용은 약 $10M로 추정된다.