[论文解读] The NEXT-100 experiment for neutrinoless double beta decay searches (Conceptual Design Report)

NEXT Collaboration, V. Álvarez+81 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 39被引用 41

一句话总结

NEXT-100 实验提出采用高压氙气时间投影室，结合电致发光倍增与基于分段 SiPM 的追踪技术，实现亚1%能量分辨率与极低本底，从而在2013年于坎夫兰克地下实验室使用100 kg 136Xe目标实现对无中微子双贝塔衰变的竞争力探测。

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.

研究动机与目标

• 开发下一代无中微子双贝塔衰变实验，相比现有及计划中的实验，具备更优的能量分辨率与本底抑制能力。
• 通过高压 136Xe 气体电离产生的电致发光光子产额，实现亚1%能量分辨率。
• 通过使用独立的追踪与量能器平面进行事件拓扑重建，将本底污染最小化至约10−4 counts/(keV·kg·y)。
• 通过利用 NEXT-1 的原型结果并最小化研发工作，实现实验的快速部署，确保100 kg探测器在2013年前可安装。
• 在初始物理运行后，遵循 GERDA 与 XENON 升级的模式，实现向1吨富集氙的可扩展性。

提出的方法

• 采用高气压氙气（5–10 bar）的非对称中微子气体电致发光（ANGEL）探测器设计，以最大化目标质量与电离产额。
• 利用比例电致发光（EL）将电离电子放大为可探测的光雪崩，为能量测量提供高信号产额。
• 将探测器分为两个功能平面：使用波长移位涂层的 SiPM（MPPCs）构成的追踪平面，用于事件拓扑重建；使用放射性纯度高的 PMT 的能量平面，用于初级闪烁光与 S2 信号的收集。
• 采用体素化与广度优先搜索算法进行拓扑特征分析，以区分电子样双贝塔衰变事件与本底事件。
• 集成模块化、可扩展的设计，使用标准化组件（如 SiPM 子板、PMT 前端电子）以实现快速建造与测试。
• 采用铅-铜城堡与水砖组合的屏蔽系统，抑制外部本底，通过低温捕集与气体纯化技术实现氡气抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压氙气时间投影室结合电致发光倍增，能否实现对无中微子双贝塔衰变搜索的亚1%能量分辨率？
• RQ2 在136Xe双贝塔衰变实验中，使用分段SiPM追踪的拓扑事件重建，能在多大程度上减少本底污染？
• RQ3 NEXT-100 可实现的本底水平是多少？是否能达到实现竞争力探测所要求的约10−4 counts/(keV·kg·y)？
• RQ4 NEXT-1（如电致发光产额、能量分辨率、漂移速度）的原型结果，能否验证向100 kg探测器扩展的可行性？
• RQ5 在采用已验证组件与模块化结构的前提下，ANGEL 设计是否能实现最小研发投入，并于2013年完成部署？

主要发现

• NEXT-1 原型机对662 keV伽马射线（来自Cs-137）实现了约1.5% FWHM的能量分辨率，证明了在完整 NEXT-100 设计中实现亚1%分辨率的可行性。
• 在5 bar压力下，氙气中电致发光产额测量为约1000个光子/初级电子，支持采用EL实现高信噪比能量测量。
• 在 NEXT1-IFIC 原型中，α粒子事件的能量分辨率约为2.5% FWHM，表明其在基于拓扑的本底抑制方面表现良好。
• 在5 bar压力下，氙气中电子漂移速度测量为约100–120 mm/μs，与预期一致，适用于 TPC 运行。
• S2/S1 比值稳定且可测量，可实现事件重建中精确的时间（t₀）确定。
• 屏蔽设计（包括铅-铜城堡与水砖）预计可将外部本底降至可接受水平，整个系统的总成本估算约为1000万美元。