Development of low-diffusion techniques for a high pressure xenon electroluminescent TPC

Loading...
Thumbnail Image
Publication date
2022
Reading date
22-07-2022
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Metrics
Export
Abstract
El neutrino es una partícula que ha despertado un gran interés en las últimas décadas. Su existencia fue conjeturada por W. Pauli en 1930 para explicar el espectro continuo de la desintegración beta. El descubrimiento inequívoco de la oscilación de neutrinos en 1998 demostró que los neutrinos tienen una masa que no desaparece. Por lo tanto, es necesario acomodar un neutrino masivo en la teoría expandiendo el Modelo Estándar y eso se puede hacer suponiendo que el neutrino es una partícula de Majorana, que se define como un fermión que es su propia antipartícula. El mecanismo que da su masa a un neutrino Majorana podría explicar la leptogénesis y parte de la asimetría materia-antimateria observada en el universo primitivo. Otra implicación de un neutrino de Majorana es que se permiten procesos que violan el número de leptones en dos unidades. Esto tiene una importante implicación experimental: la desintegración doble beta tendría un modo en el que no emite neutrinos. Ver una desintegración doble beta inequívoca y sin neutrinos establecería definitivamente que el neutrino es una partícula de Majorana. La colaboración NEXT ha estado desarrollando cámaras de proyección de tiempo electroluminiscentes de alta presión (TPC) durante la última década para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos en xenón-136 donde el volumen de detección está constituido por el isótopo objetivo. Un TPC es un tipo de detector que puede medir la energía depositada por una radiación primaria dentro de su volumen. El experimento NEXT utiliza un proceso de amplificación lineal, electroluminiscencia, con fluctuaciones insignificantes para explotar la buena resolución de energía intrínseca del gas xenón para maximizar la sensibilidad del experimento. Por otro lado, operar con un gas a alta presión extiende las huellas dejadas por los electrones emitidos por la doble desintegración beta a unos pocos centímetros, lo que convierte sus finas características topológicas en información accesible. Una clasificación de eventos basada en su topología permite realizar un paso adicional de rechazo de fondo. La propuesta de utilizar un gas noble, el helio, como mezcla del xenón es el tema central de la presente tesis. La transferencia de energía a través de colisiones elásticas entre electrones y átomos de helio es aproximadamente dos órdenes de magnitud más eficiente que entre electrones y átomos de xenón. Por otro lado, en la escala de energía de los electrones a la deriva, las colisiones elásticas de electrón-helio dominan a las de electrón-xenón. Esas consideraciones juntas apuntan a una reducción considerable de la difusión térmica en las mezclas de helio-xenón (HeXe). En general, la conclusión basada en simulaciones numéricas es que, a diferencia de las mezclas de gases moleculares, el helio reduce la difusión sin sacrificar la resolución energética del xenón puro. Una propuesta para proteger los fotomultiplicadores sensibles al helio de la atmósfera rica en helio consiste en utilizar una ventana cristalina junto con selladores metálicos. A la luz de las predicciones entusiastas sobre las mezclas de helio-xenón (HeXe), la colaboración NEXT construyó y encargó el prototipo NEXT-DEMO++. NEXT-DEMO++ está construido siguiendo el concepto SOFT (TPC de funciones optimizadas por separado). Una matriz de fotomultiplicadores (PMT) es responsable de detectar el centelleo primario y realizar la medición de energía al recolectar el centelleo secundario emitido desde la región de amplificación. Cabe destacar que el montaje final implementó la propuesta de diseño que garantiza un funcionamiento seguro de los fotomultiplicadores sensibles al helio para mezclas que contengan una cantidad importante de helio. Construido principalmente con el objetivo de probar mezclas HeXe, NEXT-DEMO++ también se pensó de manera más general como un banco de pruebas para NEXT-100. NEXT-DEMO++ ha probado diferentes configuraciones de sensores de seguimiento y probará diferentes etapas de amplificación posibles para NEXT-100. El detector logró operar con seguridad una mezcla de HeXe, pero reveló una fuente de dificultad con respecto a la separación de helio y xenón mediante criorrecuperación. Los datos se tomaron utilizando NEXT-DEMO++ para comparar una mezcla de HeXe al 15 % con una mezcla de xenón puro de referencia a 9,1 bares. Para caracterizar las dos mezclas se utilizó la misma fuente de calibración. Esta fuente radiactiva produce 83mKr que se distribuyen en el volumen activo antes de decaer, dejando deposiciones puntuales de energía que son especialmente útiles para caracterizar las propiedades de transporte de electrones. Debido a que los eventos de 83mKr liberan una deposición de energía monocromática, es posible medir la resolución de energía del detector a 41,56 keV con cada mezcla, ya que la energía es proporcional a la luz detectada. Después de la corrección de la señal para tener en cuenta la unión de electrones a las impurezas, la resolución de energía se mide en 7,42 +/- 0,04 % FWHM en HeXe y en 4,99 +/- 0,02 % FWHM en xenón puro. No obstante, se confirmó experimentalmente que la difusión transversal se reduce en un factor entre 2 y 3 en HeXe. Esto demuestra que el helio se puede usar como una mezcla de xenón para hacer una mezcla de baja difusión para un TPC electroluminiscente. El primer módulo a escala de toneladas que construirá la colaboración NEXT, NEXT-HD, se diseñará de manera que permita operar con una mezcla HeXe de baja difusión.
Description
Bibliographic reference
Collections