[论文解读] Backgrounds and sensitivity of the NEXT double beta decay experiment

M. Nebot-Guinot, P. Ferrario+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文介绍了NEXT实验的本底建模与灵敏度分析，该实验是一项高气压气态氙时间投影室，旨在搜寻无中微子双贝塔衰变。基于Geant4的模拟和放射纯度测量，预测本底率为5×10⁻⁴ counts/(keV·kg·yr)，在使用100 kg富集¹³⁶Xe运行5年后，对有效马约拉纳中微子质量的灵敏度可达100 meV。

ABSTRACT

NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) is a neutrinoless double-beta (ββ0ν) decay experiment that will operate at the Canfranc Underground Laboratory (LSC). It is an electroluminescent high-pressure gaseous xenon Time Projection Chamber (TPC) with separate read-out planes for calorimetry and tracking. Energy resolution and background suppression are the two key features of any neutrinoless double beta decay experiment. NEXT has both good energy resolution (<1% FWHM) at the Q value of $^{136} $Xe and an extra handle for background identification provided by track reconstruction. With the background model of NEXT, based on the detector simulation and the evaluation of the detector radiopurity, we can determine the sensitivity to a measurement of the ββ2ν mode in NEW and to a ββ0ν search in NEXT100. In this way we can predict the background rate of $ 5 imes10^{-4}\ $counts/(keV kg yr), and a sensitivity to the Majorana neutrino mass down to 100 meV after a 5-years run of NEXT100.

研究动机与目标

• 为了对NEXT双贝塔衰变实验中的本底进行建模与量化，以确保低本底率以实现高灵敏度搜索。
• 通过详细的探测器模拟，评估NEXT-100实验对无中微子双贝塔衰变（ββ0ν）的灵敏度。
• 利用NEXT-White原型（NEW）的数据验证本底模型，并优化NEXT-100的预测。
• 利用轨迹重建与能量分辨率提升本底抑制能力，改善信号识别。
• 确定实现有效马约拉纳中微子质量灵敏度100 meV所需的曝光量与放射纯度水平。

提出的方法

• 使用基于Geant4的NEXUS模拟，对NEXT-100装置中所有材料的本底贡献及探测器响应进行建模。
• 采用ICP-MS、GDMS及其他技术对探测器组件进行放射纯度测量，以量化其本征放射性。
• 实施多阶段事件选择：能量截断（E > 0.6 MeV）、活性体积选择、能量展宽模拟能量分辨率，以及感兴趣区域窗口化（2.3–2.6 MeV）。
• 通过体素化与团块分析实现拓扑重建，以区分信号（双团块轨迹）与背景（单团块事件）。
• 利用能量沉积分布与dE/dx进一步抑制本底事件，特别是²¹⁴Bi与²⁰⁸Tl的贡献。
• 将本底模型与曝光量及能量分辨率结合，利用关系式T₁/₂ ∝ ε√(M·t / (ΔE·B))计算半衰期灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 NEXT-100实验中的预期本底率是多少？与目标灵敏度相比如何？
• RQ2 轨迹重建与拓扑分析在抑制天然放射性本底事件方面的有效性如何？
• RQ3 探测器材料需达到何种放射纯度水平，才能使本底率低于5×10⁻⁴ counts/(keV·kg·yr)？
• RQ4 NEXT-100在运行5年后对有效马约拉纳中微子质量的预测灵敏度是多少？
• RQ5 能量分辨率与活性体积选择在减少感兴趣区域本底污染方面起到何种作用？

主要发现

• 基于对所有探测器组件的详细模拟与放射纯度测量，NEXT-100的本底率预测为5×10⁻⁴ counts/(keV·kg·yr)。
• 在应用活性体积与拓扑重建切片后，ββ0ν事件的信号接受度降至31.9%，而²¹⁴Bi事件的背景抑制因子达到8.44×10⁻⁴。
• NEXT-100在运行5年后，半衰期极限可达1.1×10²⁶年，对应有效马约拉纳中微子质量灵敏度为100 meV。
• NEXT TPC的能量分辨率预计在¹³⁶Xe的Q值处优于1% FWHM，可实现精确的能量重建与本底抑制。
• 量能测量（PMTs）与轨迹测量（SiPMs）的结合实现了完整的事件重建，通过拓扑特征实现信号与本底的有效区分。
• 利用NEXT-White原型（NEW）的数据验证了本底模型，预测的本底谱与模拟组分表现出良好一致性。