[논문 리뷰] The NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J. Martín-Albo|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Neutrino Physics Research인용 수 12

한 줄 요약

NEXT 실험은 전기화학적 발광 증폭을 갖춘 고압 크세논 시간 영역 챔버를 사용하여 136Xe에서 중성미자 없는 이중베타 붕괴를 탐색하며, 이는 중성자가 마요라나 입자임을 입증하고 렙톤 수가 보존되지 않음을 보여줄 것이다. 3년간 운영 후 예상 감도가 6×10²⁵년(90% 신뢰수준)일 때, NEXT-100은 트래킹을 통해 뛰어난 에너지 해상도와 배경 억제를 달성하여 10²⁶년을 초월하는 반감기를 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT) seeks to discover the neutrinoless double beta ($ββ0ν$) decay of $^{136}$Xe using a high-pressure xenon gas time projection chamber with electroluminescent amplification. The observation of $ββ0ν$ decay would prove that neutrinos are Majorana particles and that lepton number is not conserved. The NEXT detector concept offers several features of great value for $ββ0ν$-decay searches, including excellent energy resolution, tracking for the active suppression of backgrounds and scalability to large source masses. The initial phase of the NEXT project (2009-2014) was devoted to R&D with two prototypes (DEMO and DBDM) of approximately 1 kg of active xenon mass that demonstrated the performance of the detector concept. During the second phase of the project (2015-2019), the NEXT Collaboration has operated underground at the Laboratorio Subterráneo de Canfranc, in Spain, a radio-pure detector of about 5 kg of xenon mass. The goal of the current phase is the construction, commissioning and operation of the NEXT-100 detector, with a predicted sensitivity to the $β\beta0ν$ decay half-life of $6 imes10^{25}$ years (90% CL) after a run of 3 years. The Collaboration is planning as well a future tonne-scale phase to explore $ββ0ν$-decay half-lives beyond $10^{26}$ years.

연구 동기 및 목표

• 136Xe에서 중성미자 없는 이중베타 붕괴를 탐색하여, 이는 중성자가 마요라나 입자임을 증명하고 렙톤 수가 보존되지 않음을 보여줄 것이다.
• NEXT-100 검출기로 3년간의 데이터 수집 후 0νββ 붕괴 반감기에 대해 6×10²⁵년(90% 신뢰수준)의 감도를 확보하는 것.
• 톤 스케일 실험에 적합한 확장 가능하고 배경이 낮은 검출기 기술을 개발하고 구현하는 것.
• 향후 단계인 NEXT-HD(고해상도)와 NEXT-BOLD(단일 분자의 형광 영상에 의한 바륨 태깅)를 탐색하여 10²⁸년을 초월하는 감도를 확보하는 것.

제안 방법

• NEXT 검출기는 15 bar에서 작동하는 고압 크세논 기체 시간 영역 챔버(HPXe-TPC)를 사용하며, 100kg의 136Xe 농축 크세논을 포함한다.
• 이온화 및 자극 상태에서 발생하는 입자들은 즉각적인 형광 빛(175 nm)과 이동 전자를 생성하며, 이는 애노드 근처 고전압 영역에서 전기발광을 통해 증폭된다.
• 광센서(PMT 및 SiPM)는 이벤트 타이밍을 위한 주요 형광 빛과 캘로리메트리 및 트랙 재구성에 사용되는 전기발광 빛을 감지한다.
• 배경 억제는 양성입자 트래킹을 통해 달성되며, 이는 이중전자 이벤트(신호)와 단일전자 이벤트(배경)를 구분할 수 있도록 한다.
• 방사능 순도 설계를 통해 COPPER 및 lead shielding를 사용하고, 20 bar에 견딜 수 있는 스테인리스 강 케이싱을 사용한다.
• 향후 단계로는 PMT를 SiPM로 교체하여 배경을 낮추고, 저확산 가스 혼합물로 최적화하며, 단일 분자의 형광 영상(SMFI)을 통한 바륨 이온 태깅 기술 개발이 포함된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기발광 증폭을 갖춘 고압 크세논 시간 영역 챔버가 감도 있는 0νββ 붕괴 탐색을 위해 필요한 에너지 해상도와 배경 억제를 달성할 수 있는가?
• RQ2 NEXT-100 검출기의 136Xe의 0νββ 붕괴 반감기에 대한 달성 가능한 감도는 얼마이며, 현재의 한계와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 NEXT 검출기 기술이 톤 스케일 질량으로 확장되어도 낮은 배경 지수를 유지할 수 있는가?
• RQ4 Ba++ 이온의 단일 분자의 형광 영상이 0νββ 붕괴 이벤트의 배경 없는 감지를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 10²⁸년을 초월하는 감도를 확보하기 위해 필요한 핵심 기술적 발전은 무엇인가?

주요 결과

• NEXT-100 검출기는 3년간 운영 후 136Xe의 0νββ 붕괴 반감기에 대해 6×10²⁵년(90% 신뢰수준)의 예상 감도를 확보한다.
• 2.5 MeV에서 에너지 해상도는 1% FWHM 이하이며, 이는 NEXT-White 프로토타입을 통해 입증되었다.
• NEXT-White 검출기는 트래킹 정보를 사용하여 이중전자 트랙(신호)과 단일 전자(주요 배경) 간의 강력한 구분을 실현했다.
• 자연 방사능 배경 예산이 측정되었으며, 낮은 배경 기대치와 일치함을 확인하여 배경 모델이 검증되었다.
• NEXT-100 검출기는 배경 지수 최대 4×10⁻⁴ 개/keV⁻¹ kg⁻¹ yr⁻¹로 예상되며, 이는 고감도를 가능하게 한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션 결과, NEXT-HD 단계에서는 특정 배경 비율을 최소 한 계단 이상 감소시켜 10²⁸년을 초월하는 감도 향상을 가능하게 한다.