[论文解读] Status and prospects of the NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J.J. Gómez-Cadenas|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 25被引用 11

一句话总结

本文介绍了NEXT实验的现状与未来前景，该实验采用高气压氙气时间投影室（HPXe-EL）结合电致发光读出技术，旨在探测 $^{136}$Xe 中的无中微子双贝塔衰变。位于坎夫朗克地下实验室的NEXT-White原型装置已验证了该技术的能量分辨率与拓扑重建能力，而NEXT-100（100 kg 氙）预计于2020年投入运行，目标是实现本底自由运行；未来的NEXT-HD与NEXT-BOLD计划则致力于实现吨级、超低本底探测器，通过提升能量分辨率与钡离子标记技术实现更高灵敏度。

ABSTRACT

NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) is an experimental program whose goals are to discover neutrinoless double beta decay using $^{136}$Xe in high pressure xenon TPCs with electroluminescent readout. In this paper, results from the NEXT-White detector, which is currently taking data at Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) will be reported. The prospects for the NEXT-100 apparatus, scheduled to start operations in 2020, as well as the plans to extend the technology to large and ultra-low background detectors needed to fully explore the inverse hierarchy of neutrino masses, will also be briefly discussed.

研究动机与目标

• 开发并验证高气压氙气气体时间投影室结合电致发光读出技术，以实现无中微子双贝塔衰变的本底自由探测。
• 在坎夫朗克地下实验室的NEXT-White探测器中，成功验证使用5 kg富集 $^{136}$Xe 的可行性。
• 在100 kg规模下实现本底自由运行，目标是NEXT-100实验。
• 探索下一代方案——NEXT-HD与NEXT-BOLD——以实现吨级质量、超低本底探测，采用更高能量分辨率与钡离子标记技术。
• 通过提升能量分辨率与钡离子标记技术，实现对反 neutrino 质量顺序的探索。

提出的方法

• 在时间投影室（TPC）中使用高气压氙气（15 bar），以探测双贝塔衰变产生的电离与闪烁信号。
• 在阳极处利用电致发光（EL）技术放大电离电子，产生次级闪烁光（S2）。
• 采用两组光电探测器平面：能量平面使用光电倍增管（PMT）进行能量测量与S1时间测量，追踪平面使用硅光电倍增管（SiPM）实现横向位置重建。
• 将主闪烁光（S1）产生的真空紫外光子（~172 nm）通过阳极上的四苯基波长位移（TPB）涂层转换为可见光。
• 采用高纯度材料（如316Ti不锈钢、高密度聚乙烯HDPE、铜）并辅以铅屏蔽，以最大限度降低本底辐射。
• 探索两条未来路径：NEXT-HD通过提升能量分辨率与降低本底预算，NEXT-BOLD则通过表面结合荧光指示剂实现单个Ba++离子的延迟符合探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 高气压氙气TPC结合电致发光读出技术是否能够实现无中微子双贝塔衰变探测所要求的能量分辨率与本底抑制？
• RQ2 NEXT-White原型装置是否能在低本底地下环境中成功验证HPXe-EL技术？
• RQ3 NEXT-100是否能在15 bar氙气与优化的材料纯度条件下，于100 kg规模下实现本底自由运行？
• RQ4 通过单分子荧光成像（SMFI）实现钡离子标记，是否能在未来的吨级探测器中实现真正的本底自由探测？
• RQ5 NEXT实验需要多高的灵敏度与曝光量才能探测反 neutrino 质量顺序？

主要发现

• 在坎夫朗克地下实验室运行的NEXT-White探测器，使用5 kg富集 $^{136}$Xe，已成功验证核心HPXe-EL TPC技术，包括能量分辨率与拓扑重建能力。
• 预计于2020年投入运行的NEXT-100，将在15 bar氙气与优化材料纯度条件下，实现100 kg规模的本底自由运行。
• NEXT-HD路径预计在6 t·yr曝光下实现 $2 \times 10^{27}$ 年的半衰期灵敏度，目标是探测反 neutrino 质量顺序。
• NEXT-BOLD方法通过SMFI技术实现单个Ba++离子的标记，预计在10 t·yr曝光下实现 $8 \times 10^{27}$ 年的灵敏度，可实现真正的本底自由运行。
• 概念验证实验已成功在干燥介质中实现单个Ba++离子的检测，但开发适用于干燥环境、高对比度的荧光指示剂仍面临挑战。
• 已合成可在干燥环境中发光的新型荧光指示剂，支持未来在HPXe-EL探测器中实现Ba++离子标记的可行性。