[论文解读] Efficiency of the topological signature in the NEXT-White detector

P. Ferrario, J. M. Benlloch-Rodríguez+87 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用 4

一句话总结

本研究测量了NEXT-White探测器中拓扑特征切片在区分双贝塔衰变电子与本底单电子事例方面的效率。利用能量为1.6 MeV的⁶⁰Co校准源，该方法在1.6 MeV附近实现了71.3 ± 1.5%的信号效率与20.3 ± 0.4%的本底接受率，与模拟结果高度一致，并在与无中微子双贝塔衰变搜索相关的更高能量区域显示出性能的轻微提升。

ABSTRACT

In experiments searching for neutrinoless double-beta decay, the possibility of identifying the two emitted electrons is a powerful tool in rejecting background events and therefore improving the overall sensitivity of the experiment. In this paper we present the first measurement of the efficiency of a cut based on the different event signatures of double and single electron tracks, using the data of the NEXT-White detector, the first detector of the NEXT experiment operating underground. Using a \TO calibration source to produce signal-like and background-like events with energies near 1.6 MeV, a signal efficiency of $71.3 \pm 1.5$ (fit)\% for a background acceptance of $20.3 \pm 0.4$ (fit)\% is found, in good agreement with Monte Carlo simulations. An extrapolation to the energy region of the neutrinoless double beta decay by means of Monte Carlo simulations is also carried out, and the results obtained show a slight improvement over those obtained at lower energies.

研究动机与目标

• 评估拓扑特征切片在无中微子双贝塔衰变实验中区分双电子事例与单电子事例的有效性。
• 利用地下运行的NEXT-White探测器实测数据，测量该切片的信号效率与本底接受率。
• 利用⁶⁰Co校准源的实验数据，验证蒙特卡罗模拟在事件拓扑区分方面的表现。
• 基于模拟预测，将拓扑切片的性能外推至与无中微子双贝塔衰变相关的能量区域。

提出的方法

• 在地下运行的NEXT-White探测器中，使用⁶⁰Co校准源产生接近1.6 MeV的能量事例，模拟信号特征和本底特征的衰变。
• 基于双电子与单电子事例在轨迹形态上的差异，应用拓扑特征切片，利用两者在空间分布与运动学模式上的显著区别。
• 通过数据中观测事件分布的拟合，采用基于似然的方法提取信号效率与本底接受率等关键性能指标。
• 利用蒙特卡罗模拟对探测器响应与事件拓扑进行建模，实现与实测数据的对比，并将结果外推至无中微子双贝塔衰变的能量区域。
• 在1.6 MeV处评估拓扑切片的性能，并通过模拟将其投影至更高能量，分析其能量依赖性的区分能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1.6 MeV能量下，NEXT-White探测器中拓扑特征切片的信号效率与本底接受率分别是多少？
• RQ2 蒙特卡罗模拟在多大程度上再现了真实数据中拓扑切片的实际表现？
• RQ3 在与无中微子双贝塔衰变相关的更高能量区域，拓扑特征切片是否保持或提升其有效性？
• RQ4 拓扑特征是否可作为未来NEXT实验阶段中背景抑制的可靠工具？

主要发现

• 在1.6 MeV能量下，NEXT-White探测器中拓扑特征切片实现了71.3 ± 1.5%的信号效率与20.3 ± 0.4%的本底接受率。
• 实测性能与蒙特卡罗模拟结果高度一致，验证了模拟框架在后续背景抑制研究中的可靠性。
• 基于蒙特卡罗模拟的外推结果表明，拓扑切片在与无中微子双贝塔衰变相关的更高能量区域中，其区分能力略有提升。
• 结果证实，拓扑事件重建是高纯度氙基双贝塔衰变实验中抑制本底事件的一种可行且有效的方法。