[논문 리뷰] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure Gaseous Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu외 68명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 24.

Neutrino Physics Research참고 문헌 67인용 수 15

한 줄 요약

PandaX-III는 10 bar에서 90% 136Xe 농축 헉스엔 기체 200kg를 포함한 고압 기체 타임 프로제션 챔버(TPC)를 제안하여 무배우자 이중베타 붕괴(NLDBD)를 탐색한다. 미크로버블 미크로메가스를 전하 읽기 시스템으로 사용함으로써, 궤적 복원을 통한 뛰어난 배경 감소 성능을 달성하였으며, 프로토타입 데이터 수집 결과가 이 접근법을 검증하였다.

ABSTRACT

The PandaX-III (Particle And Astrophysical Xenon Experiment III) experiment will search for Neutrinoless Double Beta Decay (NLDBD) of 136Xe at the China Jin-Ping underground Laboratory II (CJPL-II). In the first phase of the experiment, a high pressure gas Time Projection Chamber (TPC) will contain 200 kg, 90% 136Xe enriched gas operated at 10 bar. Microbulk Micromegas, a fine pitch micro-pattern gas detector, will be used for charge readout and enable us to reconstruct tracks of NLDBD events with good energy and spatial resolution. With simulation, we demonstrate excellent background suppression capability with tracking information. In this proceeding, we will give an overview of recent progress of PandaX-III, including data taking of a 20 kg scale prototype TPC.

연구 동기 및 목표

• 136Xe의 무배우자 이중베타 붕괴(NLDBD)를 탐색하여 중성자의 마요라나 성질을 규명하는 데 목적이 있다.
• 고압 기체 TPC를 사용한 정밀한 궤적 및 에너지 분辨도를 통해 NLDBD 탐색의 배경을 감소시키는 것.
• 희귀 붕괴 탐색을 위한 고압 헉스엔 기체 환경에서 미크로버블 미크로메가스 검출기를 사용할 수 있는 가능성을 입증하는 것.
• 20kg 규모의 프로토타입 TPC에서의 데이터 수집을 통해 검출기 개념을 검증하는 것.
• 고압 기체 TPC 시스템에서의 궤적 복원을 통한 배경 감소 능력을 확립하는 것.

제안 방법

• 200kg의 90% 136Xe 농축 헉스엔 기체를 10bar 압력에서 충전한 고압 기체 타임 프로제션 챔버(TPC)를 사용하여 신호 감도를 향상시켰다.
• 이온화 전자의 궤적을 고해상도로 복원하기 위해, 고공간 및 고에너지 분辨도를 제공하는 미크로버블 미크로메가스 검출기를 전하 읽기 시스템으로 사용하였다.
• NLDBD 사건에서 발생한 이온화 전자는 균일한 전기장 하에서 이동하여 미크로메가스 애노드에 수집되어 3차원 사건 복원이 가능해졌다.
• TPC의 궤적 복원 능력은 배경 사건의 궤적 구조를 기반으로 배경를 구분하고, 비구조적 배경를 크게 감소시켰다.
• 모의 실험을 통해 배경 감소 성능을 평가하였으며, 특히 단일 에너지 NLDBD 사건과 배경원을 구별하는 데 중점을 두었다.
• 완전한 설계의 기술적 타당성과 성능을 입증하기 위해 20kg 규모의 프로토타입 TPC를 제작 및 운영하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미크로버블 미크로메가스 읽기 시스템을 갖춘 고압 기체 TPC가 NLDBD 탐지에 필요한 충분한 에너지 및 공간 분辨도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 궤적 복원이 헉스엔 기반 NLDBD 실험에서 배경 사건을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 20kg 규모의 프로토타입 TPC는 고압 헉스엔 기체 조건에서 안정적으로 작동하고 신뢰할 수 있는 데이터 수집이 가능한가?
• RQ4 고압과 미세 피치의 미크로메가스 조합이 NLDBD 사건의 궤적 구조를 얼마나 잘 해상할 수 있는가?
• RQ5 모의 실험과 프로토타입 데이터로 검증된 TPC 시스템의 배경 감소 능력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 20kg 규모의 프로토타입 TPC는 데이터 수집을 성공적으로 완료하여, 전체 규모의 PandaX-III 설계의 기술적 타당성을 입증하였다.
• 고압 헉스엔 기체 환경에서 미크로버블 미크로메가스를 사용함으로써 고해상도 전하 읽기 시스템을 실현하여 사건의 궤적 추적에 적합한 성능을 확보하였다.
• 모의 실험 결과, 궤적 복원이 비구조적 특성을 띤 배경 사건에 대해 강력한 감소 효과를 보이며, 특히 이러한 배경를 효과적으로 차단함을 확인하였다.
• 고압 기체 TPC 설계는 NLDBD의 단일 에너지 특징을 식별하는 데 필수적인 뛰어난 에너지 및 공간 분辨도를 확보하였다.
• 프로토타입 데이터는 검출기 시스템의 성능을 검증하였으며, 전체 200kg의 136Xe 타겟으로의 확장 가능성도 뒷받침한다.
• 136Xe 농축과 고도의 궤적 추적 능력의 조합이 무배우자 이중베타 붕괴에 대한 감도를 크게 향상시킨다.