[论文解读] Measurement of radon-induced backgrounds in the NEXT double beta decay experiment

NEXT Collaboration, P. Novella+80 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用 5

一句话总结

该论文通过时间投影室中的α和电子事例率，测量了NEXT-White双贝塔衰变实验中氡引起的本底。报告得出²²²Rn的比活度为38.1 ± 2.2（统计）± 5.9（系统）mBq/m³，并证实氡本底足够低——在NEXT-100中预计不超过每年0.1个事例——可支持无中微子双贝塔衰变搜索的成功进行。

ABSTRACT

The measurement of the internal $^{222}$Rn activity in the NEXT-White detector during the so-called Run-II period with $^{136}$Xe-depleted xenon is discussed in detail, together with its implications for double beta decay searches in NEXT. The activity is measured through the alpha production rate induced in the fiducial volume by $^{222}$Rn and its alpha-emitting progeny. The specific activity is measured to be $(38.1\pm 2.2~\mathrm{(stat.)}\pm 5.9~\mathrm{(syst.)})$~mBq/m$^3$. Radon-induced electrons have also been characterized from the decay of the $^{214}$Bi daughter ions plating out on the cathode of the time projection chamber. From our studies, we conclude that radon-induced backgrounds are sufficiently low to enable a successful NEXT-100 physics program, as the projected rate contribution should not exceed 0.1~counts/yr in the neutrinoless double beta decay sample.

研究动机与目标

• 量化在使用¹³⁶Xe贫化的氙气运行期间，NEXT-White时间投影室内部的²²²Rn比活度。
• 评估氡及其衰变子体（特别是²¹⁴Bi）对探测器 fiducial 体积内电子和α本底率的影响。
• 通过外推氡诱导本底对无中微子双贝塔衰变搜索的贡献，评估NEXT-100物理计划的可行性。
• 验证利用α产生率作为估算从阴极镀膜子体产生的²¹⁴Bi电子本底率的代理方法的可靠性。
• 为下一代吨级NEXT探测器提供未来氡抑制策略（包括主动过滤系统）的参考。

提出的方法

• 通过测量fiducial体积内²²²Rn及其衰变链产生的α产生率，推断²²²Rn的比活度。
• 分析漂移长度（Z）方向上的电子事例分布，识别阴极附近的²¹⁴Bi衰变，使用高氡和低氡活度时期（E1和E2）的数据。
• 重建了能量高于600 keV的电子能谱，发现其为平坦的β谱，与²¹⁴Bi衰变一致。
• 利用同一时期采集的α数据校准²¹⁴Bi衰变的蒙特卡罗模拟，以归一化电子本底率。
• 通过外推²²²Rn活度并改变阴极本底抑制效率的假设，预测NEXT-100中氡诱导的本底率。
• 对模拟的NEXT-White数据执行完整的2νββ分析，包括漂移、光学和电子学响应效应，以验证本底估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用¹³⁶Xe贫化的氙气运行期间，NEXT-White探测器内部的²²²Rn比活度是多少？
• RQ2 氡子体（特别是²¹⁴Bi）在多大程度上通过在阴极上镀膜，对电子本底产生贡献？
• RQ3 氡诱导的本底与探测器材料中放射性杂质（如⁶⁰Co、⁴⁰K）引起的本底相比如何？
• RQ4 氡本底对NEXT-100实验中无中微子双贝塔衰变搜索的预期贡献是多少？
• RQ5 能否可靠地利用α产生率来推断²¹⁴Bi电子本底率，且系统不确定度在可接受范围内？

主要发现

• NEXT-White探测器内部的²²²Rn比活度测量值为（38.1 ± 2.2（统计）± 5.9（系统））mBq/m³。
• 氡诱导的电子事例在阴极区域被清晰观测到，其随时间减少的速率与²²²Rn衰变一致。
• 能量高于600 keV的电子能谱呈平坦特征，与²¹⁴Bi β衰变一致，未发现γ射线谱线的证据。
• 成功利用α数据推断出²¹⁴Bi电子本底率，系统不确定度约为20%。
• NEXT-100中氡诱导的本底率投影结果为≤0.1个事例/年，悲观估计为0.07 ± 0.01个事例/年。
• NEXT-White中氡诱导的本底为（85 ± 14）个事例/年（对应2νββ事件），比⁶⁰Co、⁴⁰K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl杂质的总本底低两个数量级。