[论文解读] PandaX-III: Searching for Neutrinoless Double Beta Decay with High Pressure Gaseous Time Projection Chambers

Xun Chen, Changbo Fu+68 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 67被引用 15

一句话总结

PandaX-III 提出一种高气压气态时间投影室（TPC），使用 200 kg 的 10 bar 压力下 90% 136Xe 富集的氙气，以搜索无中微子双贝塔衰变（NLDBD）。通过使用微结构体 Micromegas 进行电荷读出，实验利用轨迹重建实现了优异的本底抑制，原型机数据采集验证了该方法的有效性。

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.

研究动机与目标

• 搜索 136Xe 的无中微子双贝塔衰变（NLDBD），这是探测中微子马约拉纳性质的关键过程。
• 通过高气压气态 TPC 实现精确轨迹重建与能量分辨率，以减少 NLDBD 搜索中的本底。
• 证明在高气压氙气环境中使用微结构体 Micromegas 探测器进行稀有衰变搜索的可行性。
• 通过 20 kg 级原型 TPC 的数据采集，验证探测器概念。
• 通过轨迹重建建立高气压气态 TPC 系统的本底抑制能力。

提出的方法

• 采用高气压气态时间投影室（TPC），填充 200 kg 的 90% 136Xe 富集氙气，压力为 10 bar，以增强信号灵敏度。
• 使用微结构体 Micromegas 探测器作为电荷读出系统，实现离子化轨迹的高空间与能量分辨率。
• NLDBD 事件产生的电离电子在均匀电场中漂移，并被 Micromegas 阳极收集，实现三维事件重建。
• TPC 的轨迹识别能力可基于轨迹拓扑结构区分本底事件，显著抑制非拓扑本底。
• 利用模拟评估本底抑制性能，特别关注区分单能 NLDBD 事件与本底源的能力。
• 已构建并运行 20 kg 级原型 TPC，以证明全尺寸设计的技术可行性与性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 高气压气态 TPC 搭配微结构体 Micromegas 读出系统，能否实现 NLDBD 检测所需的足够能量与空间分辨率？
• RQ2 在氙基 NLDBD 实验中，轨迹重建在多大程度上可抑制本底事件？
• RQ3 20 kg 级原型 TPC 是否能在高气压氙气条件下实现稳定运行与可靠的数据采集？
• RQ4 高压与细间距 Micromegas 的结合在分辨 NLDBD 事件拓扑结构方面有多高效？
• RQ5 通过模拟与原型机数据验证，TPC 系统的本底抑制能力如何？

主要发现

• 20 kg 级原型 TPC 已成功完成数据采集，证明了全尺寸 PandaX-III 设计的技术可行性。
• 在高气压氙气中使用微结构体 Micromegas 实现了高分辨率电荷读出，适用于事件追踪。
• 模拟结果表明，轨迹重建可提供强本底抑制，尤其对具有非拓扑特征的事件效果显著。
• 高气压气态 TPC 设计实现了优异的能量与空间分辨率，这对识别 NLDBD 的单能特征至关重要。
• 原型机数据验证了探测器系统的性能，并支持向 200 kg 136Xe 目标质量的可扩展性。
• 136Xe 富集与先进轨迹追踪的结合显著提升了对无中微子双贝塔衰变的探测灵敏度。