[论文解读] The Hunt for neutrinoless double beta decay with the NEXT experiment

D. Lorca|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 4

一句话总结

NEXT实验提出使用高压氙气时间投影室结合电致发光放大技术，探测136Xe中的无中微子双贝塔衰变，旨在探究中微子的马约拉纳性质并测量有效电子中微子质量。原型机NEXT-DEMO在136Xe的Q值处实现了0.62% FWHM能量分辨率，验证了该技术在即将投入运行的NEXT-100探测器中的可行性，该探测器目标灵敏度为5.9×10²⁵年，对mββ的灵敏度约为100 meV。

ABSTRACT

The NEXT-100 detector will search for the neutrinoless double beta decay of $^{136}$Xe using an electroluminescent high-pressure xenon gas TPC filled with 100 kg of enriched Xe. An observation of this hypothetical process would establish a Majorana nature for the neutrino and prove the violation of lepton number. A scaled-down prototype, NEXT-DEMO, has been built to demonstrate the feasibility of the technology. NEXT-DEMO includes an energy plane made of PMTs and a tracking plane made of SiPMs. X-ray energy depositions, produced by the de-excitation of xenon atoms after their interaction with gamma rays, have been used to characterize the detector response. With this method, the released energy by gammas coming from $^{22}$Na source has been corrected, achieving an energy resolution of 5.691% FWHM and 1.62% FWHM at the 29.7 keV and 511 keV peaks respectively, which extrapolate to 0.62% FWHM and 0.73% FWHM at Q$_{ββ}$ value of Xenon.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、低本底的探测器技术，用于观测无中微子双贝塔衰变（ββ0ν），该过程将证明中微子是马约拉纳粒子。
• 证明高压氙气电致发光时间投影室（HPXe-EL-TPC）在大规模中微子质量测量中的可行性。
• 在136Xe的Q值（2451 keV）处实现亚1%的能量分辨率，以区分稀有ββ0ν事件与本底。
• 通过使用放射纯材料和拓扑事件重建降低本底率，实现在100 meV以下的有效马约拉纳中微子质量的探测灵敏度。
• 通过原型机NEXT-DEMO验证NEXT-100设计，并为在坎弗朗克地下实验室的运行做好准备。

提出的方法

• NEXT-100探测器采用100 kg、90%富集的136Xe高压氙气气体TPC，在15 bar压力下运行，能量测量采用32.5%的PMT覆盖度。
• 电离电子向阳极漂移，在此处通过电致发光产生VUV光子，由SiPM阵列（追踪平面）和PMT（能量平面）探测，实现三维事件重建。
• 利用22Na源的氙K壳层X射线沉积进行空间和能量响应校准，以修正非均匀性和电子损失。
• 通过22Na的29.7 keV和511 keV峰测量能量分辨率，并对电子附着及压力/温度漂移进行修正。
• 探测器采用12 cm厚的放射纯铜屏蔽层和放射纯材料，以抑制本底，预期本底率为5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹。
• 理论灵敏度通过关系式T₁/₂ ∝ a·ε·√(M·t / (ΔE·B))进行预测，其中ΔE根据原型数据外推至136Xe的Q值。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压氙气电致发光TPC能否在136Xe的Q值处实现亚1%的能量分辨率，从而实现对稀有ββ0ν事件的有效区分？
• RQ2 22Na的X射线沉积能否有效用于气态氙TPC的空间和能量响应校准，特别是对非均匀性和电子损失的修正？
• RQ3 NEXT-100探测器能否实现足够低的本底率，以达到ββ0ν衰变5.9×10²⁵年的灵敏度？
• RQ4 基于原型测量结果外推，NEXT-100可实现的能量分辨率是多少？是否满足分辨2451 keV Q值峰的要求？
• RQ5 NEXT-100中量热法与追踪技术的结合能否实现对ββ0ν事件与主要本底源的拓扑区分？

主要发现

• NEXT-DEMO在29.7 keV处实现5.691% FWHM能量分辨率，在511 keV处实现1.62% FWHM能量分辨率，已对探测器非均匀性和电子损失进行修正。
• 外推至136Xe的Q值（2451 keV）后，预计29.7 keV峰的能量分辨率为0.62% FWHM，511 keV峰为0.73% FWHM，假设为泊松限制的光子散粒噪声。
• NEXT-100探测器预计在5年数据采集后达到5.9×10²⁵年的灵敏度，对应对有效马约拉纳中微子质量的灵敏度约为100 meV。
• 氙K壳层X射线沉积被成功用作校准工具，覆盖整个探测器体积，实现了空间校准和响应均衡化。
• 使用放射纯材料和铜屏蔽层将预期本底率降低至5×10⁻⁴ kg⁻¹ keV⁻¹ year⁻¹，支持了低本底设计的可行性。
• NEXT-100探测器已获准在坎弗朗克地下实验室安装，计划于2015年使用非富集氙气开始地下运行，富集氙气物理运行计划于2016年初启动。