[论文解读] The NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

J. Martín-Albo|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Neutrino Physics Research被引用 12

一句话总结

NEXT实验采用高压氙气时间投影室结合电致发光放大技术，旨在探测136Xe中的无中微子双贝塔衰变，以确定中微子是否为马约拉纳费米子。在运行3年后的预期灵敏度为6×10²⁵年（90%置信水平），NEXT-100通过追踪技术实现了优异的能量分辨率和本底抑制，从而可探索超过10²⁶年的半衰期。

ABSTRACT

The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT) seeks to discover the neutrinoless double beta ($ββ0ν$) decay of $^{136}$Xe using a high-pressure xenon gas time projection chamber with electroluminescent amplification. The observation of $ββ0ν$ decay would prove that neutrinos are Majorana particles and that lepton number is not conserved. The NEXT detector concept offers several features of great value for $ββ0ν$-decay searches, including excellent energy resolution, tracking for the active suppression of backgrounds and scalability to large source masses. The initial phase of the NEXT project (2009-2014) was devoted to R&D with two prototypes (DEMO and DBDM) of approximately 1 kg of active xenon mass that demonstrated the performance of the detector concept. During the second phase of the project (2015-2019), the NEXT Collaboration has operated underground at the Laboratorio Subterráneo de Canfranc, in Spain, a radio-pure detector of about 5 kg of xenon mass. The goal of the current phase is the construction, commissioning and operation of the NEXT-100 detector, with a predicted sensitivity to the $β\beta0ν$ decay half-life of $6 imes10^{25}$ years (90% CL) after a run of 3 years. The Collaboration is planning as well a future tonne-scale phase to explore $ββ0ν$-decay half-lives beyond $10^{26}$ years.

研究动机与目标

• 探测136Xe中的无中微子双贝塔衰变，该过程若被观测到将证明中微子是马约拉纳费米子，且轻子数不守恒。
• 在3年数据采集后，实现对0νββ衰变半衰期的灵敏度达到6×10²⁵年（90%置信水平），使用NEXT-100探测器。
• 开发并展示可扩展的、低本底的探测器技术，适用于吨级实验。
• 探索未来阶段，包括NEXT-HD（高分辨率）和NEXT-BOLD（通过单分子荧光成像实现钡离子标记），以实现超过10²⁸年的灵敏度。

提出的方法

• NEXT探测器采用工作于15 bar压力下的高压氙气气体时间投影室（HPXe-TPC），使用100 kg富集136Xe的氙气。
• 带电粒子引起的电离和激发产生瞬发闪烁光（175 nm）和漂移电子，后者在靠近阳极的高场区域通过电致发光实现放大。
• 光电传感器（PMT和SiPM）用于探测初级闪烁光以实现事件触发，同时探测电致发光光以实现能量测量和轨迹重建。
• 通过带电粒子轨迹追踪实现本底抑制，从而区分双电子事例（信号）与单电子事例（主要本底）。
• 探测器采用放射性纯度设计，配备铜和铅屏蔽，并使用额定压力为20 bar的不锈钢压力容器。
• 未来阶段包括用SiPM替代PMT以降低本底、优化使用低扩散气体混合物，以及开发基于单分子荧光成像（SMFI）的钡离子标记技术。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压氙气时间投影室结合电致发光放大技术能否实现探测无中微子双贝塔衰变所必需的能量分辨率和本底抑制？
• RQ2 NEXT-100探测器对136Xe的0νββ衰变半衰期的可实现灵敏度是多少？与当前极限相比如何？
• RQ3 NEXT探测器技术能否在保持极低本底指数的前提下扩展至吨级质量？
• RQ4 对Ba++离子的单分子荧光成像能否实现无本底的0νββ衰变事例探测？
• RQ5 为实现超过10²⁸年的灵敏度，需要哪些关键技术突破？

主要发现

• NEXT-100探测器在运行3年后，对136Xe的0νββ衰变半衰期的预期灵敏度达到6×10²⁵年（90%置信水平）。
• 在2.5 MeV能量处的能量分辨率优于1% FWHM，该结果由NEXT-White原型机验证。
• NEXT-White探测器利用轨迹信息成功实现了对双电子轨迹（信号）与单电子（主要本底）的稳健区分。
• 测得的放射性本底预算与低本底预期一致，验证了本底模型的可靠性。
• 预计NEXT-100探测器的本底指数不超过4×10⁻⁴ counts keV⁻¹ kg⁻¹ yr⁻¹，从而实现高灵敏度。
• 蒙特卡洛模拟表明，NEXT-HD阶段可将单位质量本底率降低至少一个数量级，从而实现超过10²⁸年的灵敏度。