[论文解读] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure $^{136}$Xe Gas Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu+68 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2016

Neutrino Physics Research被引用 11

一句话总结

PandaX-III 提出使用高压 136Xe 气体时间投影室（TPC）来寻找无中微子双贝塔衰变（NLDBD），通过 Micromegas 和潜在的低噪声、高放射纯度读出芯片检测电子信号。在 200 千克 TPC 模块下，该实验计划在三年数据采集后实现 10^26 年的半衰期灵敏度，若以分阶段方式在高台中国锦屏地下实验室（CJPL）实现一吨总质量，则灵敏度可提升至 10^27 年。

ABSTRACT

Searching for the Neutrinoless Double Beta Decay (NLDBD) is now regarded as the topmost promising technique to explore the nature of neutrinos after the discovery of neutrino masses in oscillation experiments. PandaX-III (Particle And Astrophysical Xenon Experiment III) will search for the NLDBD of $^{136}$Xe at the China Jin Ping underground Laboratory (CJPL). In the first phase of the experiment, a high pressure gas Time Projection Chamber (TPC) will contain 200 kg, 90% $^{136}$Xe enriched gas operated at 10 bar. Fine pitch micro-pattern gas detector (Microbulk Micromegas) will be used at both ends of the TPC for the charge readout with a cathode in the middle. Charge signals can be used to reconstruct tracks of NLDBD events and provide good energy and spatial resolution. The detector will be immersed in a large water tank to ensure $\sim$5 m of water shielding in all directions. The second phase, a ton-scale experiment, will consist of five TPCs in the same water tank, with improved energy resolution and better control over backgrounds.

研究动机与目标

• 在高台中国锦屏地下实验室（CJPL）使用高压气体时间投影室（TPC）在 136Xe 中寻找无中微子双贝塔衰变（NLDBD）。
• 通过先进的 TPC 设计和低噪声、高放射纯度电子学，实现高能量分辨率和本底抑制。
• 开发可扩展的分阶段实验方法，从 200 千克 TPC 模块起步，最终实现一吨有效质量。
• 通过上海交通大学（SJTU）正在调试的 20 千克原型 TPC 与 Micromegas 读出系统，验证探测器概念。
• 探索未来改进方案，例如在丙烯酸板上集成红外敏感光电探测器，用于测量绝对事件时间（t₀），以提升本底区分能力。

提出的方法

• 第一阶段使用 200 千克有效质量的高压 136Xe 气体 TPC，第二阶段扩展至一吨总质量。
• 采用 Micromegas 读出系统收集电离电子信号，结合低噪声、高放射纯度电子学，将电子噪声控制在 100 e⁻ 以下。
• 设计尺寸为 1–2 毫米、间距约 5 毫米的读出电极，周围设置高压整形条，以聚焦电子并降低输入电容。
• 在读出面之上集成 Frisch 网格，以改善能量分辨率并减少位置失真。
• 探索使用低噪声、高放射纯度的 IDeF-X 芯片作为替代读出方案，其本征噪声为 30 e⁻，在 10 pF 电容下总噪声小于 100 e⁻。
• 考虑在丙烯酸板上增加红外敏感光电探测器（850–1200 nm），用于测量绝对事件时间（t₀），以提升本底抑制能力，尽管该方案不在基础设计之中。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压 136Xe 气体 TPC 是否能够实现足够的能量分辨率和本底抑制，以探测无中微子双贝塔衰变？
• RQ2 在低本底环境中，对于大规模 TPC，最佳读出架构是 Micromegas 还是低噪声集成芯片？
• RQ3 在未直接测量绝对时间（t₀）的 TPC 中，如何恢复 t₀ 信息？其对本底区分能力有何影响？
• RQ4 在三年数据采集周期内，PandaX-III 实验使用 200 千克 TPC 模块和一吨总质量，可实现的半衰期灵敏度是多少？
• RQ5 配备 Micromegas 读出系统的 20 千克原型 TPC 是否能够成功展示全尺寸实验所需的性能？

主要发现

• 200 千克 TPC 模块在三年数据采集后，预计对 136Xe NLDBD 的半衰期灵敏度可达 10^26 年。
• 若总有效质量达一吨，并积累三年有效时间，全实验的半衰期灵敏度极限将提升至 10^27 年。
• 配备 Micromegas 读出系统的 20 千克原型 TPC 目前正在上海交通大学（SJTU）进行调试。
• 低噪声、高放射纯度读出电子学（如 IDeF-X 芯片）可在 10 pF 输入电容下实现低于 100 e⁻ 的电子噪声，使 2.5 MeV 事件的能量分辨率接近 1%。
• 采用 Frisch 网格和电场整形条可提升 TPC 的能量分辨率和电子收集效率。
• 未来在丙烯酸板上集成红外敏感光电探测器，有望实现绝对时间（t₀）测量，可能进一步增强本底区分能力，尽管该功能不在基础设计之中。