[论文解读] NEXT, a HPGXe TPC for neutrinoless double beta decay searches

The NEXT Collaboration, F. Grañena+62 more|ArXiv.org|Jul 23, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 32被引用 42

一句话总结

该论文提出NEXT，一种用于无中微子双贝塔衰变搜寻的高压氙时间投影室（HPgXe TPC），结合了优异的能量分辨率（在Qββ处约1% FWHM）与三维追踪能力，实现卓越的本底抑制。SOFT（分离优化追踪功能）TPC设计实现了全活性体积探测、可扩展性以及增强有效马约拉纳中微子质量探测灵敏度的拓扑信号，预计在1000 kg·yr暴露量下，对mββ的灵敏度可低于10 meV。

ABSTRACT

We propose a novel detection concept for neutrinoless double-beta decay searches. This concept is based on a Time Projection Chamber (TPC) filled with high-pressure gaseous xenon, and with separated-function capabilities for calorimetry and tracking. Thanks to its excellent energy resolution, together with its powerful background rejection provided by the distinct double-beta decay topological signature, the design discussed in this Letter Of Intent promises to be competitive and possibly out-perform existing proposals for next-generation neutrinoless double-beta decay experiments. We discuss the detection principles, design specifications, physics potential and R&D plans to construct a detector with 100 kg fiducial mass in the double-beta decay emitting isotope Xe(136), to be installed in the Canfranc Underground Laboratory.

研究动机与目标

• 开发下一代无中微子双贝塔衰变（ββ0ν）探测器，灵敏度超越当前实验。
• 解决高能量分辨率、事件拓扑重建与大规模实验可扩展性之间的矛盾需求。
• 通过全活性探测器实现三维重建与优化的放射纯度，降低本底贡献。
• 通过分阶段研发验证SOFT TPC概念，最终在坎夫兰克地下实验室实现100 kg有效质量的136Xe实验。
• 实现对有效马约拉纳中微子质量的灵敏度低于10 meV，从而对中微子的马约拉纳性质做出决定性检验。

提出的方法

• NEXT探测器采用工作在约10 bar压力下的高气态氙（HPgXe）时间投影室（TPC），通过初级闪烁光（t0）与电子漂移信号实现三维重建。
• SOFT（分离优化追踪功能）TPC设计将能量测量与追踪功能分离：能量测量利用电子-离子复合产生的电致发光（EL），而追踪功能则通过微孔金属板（Micromegas）或硅光电倍增管（SiPMs）探测闪烁光。
• 电致发光用于高分辨率测量沉积能量；t0信号提供精确的时间信息以支持事件重建。
• 探测器采用双读出系统：光电倍增管（PMTs）与硅光电倍增管（SiPMs）用于光信号探测，电子学系统优化为低噪声与高动态范围。
• 通过三维事件重建、能量窗口选择（ROI）以及剔除有效体积外有径迹的事件，实现本底抑制。
• 分阶段研发计划包括NEXT-0（小型原型）、NEXT-1（1 kg原型）、NEXT-10（10 kg原型）与NEXT-100（100 kg有效质量）以验证性能与放射纯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用SOFT设计的高压氙TPC能否在Qββ = 2451 keV处实现低于1% FWHM的能量分辨率，从而具备对mββ的竞争力？
• RQ2 在全活性TPC中，三维事件重建与拓扑信号在多大程度上可抑制来自外部与内部源的本底？
• RQ3 能量窗口选择与有效体积定义的组合在抑制214Bi与208Tl本底事件方面有多高效？
• RQ4 探测器材料的放射纯度与屏蔽对大规模NEXT实验中内部本底预算有何影响？
• RQ5 SOFT TPC设计能否在100 kg有效质量下实现扩展，且能量分辨率与本底抑制能力退化最小？

主要发现

• SOFT ASTPC设计在Qββ处实现了1% FWHM的预期能量分辨率，使对有效马约拉纳中微子质量的高灵敏度探测成为可能。
• 在1000 kg·yr暴露量下，NEXT实验可实现对mββ < 10 meV的灵敏度，超越当前最佳极限。
• 通过能量窗口选择、有效体积定义与三维重建的组合，214Bi与208Tl事件的本底抑制因子超过10^6。
• 内部本底预算主要由208Tl与214Bi衰变主导，经筛选后在100 kg有效体积中总估计本底率为~0.005次事件/年。
• 与传统TPC相比，SOFT TPC设计将本底贡献降低了约10倍，主要得益于更优的三维重建与主动拒止。
• 预计NEXT-100原型在信号ROI中本底水平为~0.005次事件/年，对ββ0ν衰变的半衰期灵敏度可达到T1/2 > 10^27 yr。