Experimental Measurement of the Electroluminescence Yield, Electron Drift Velocity and Intrinsic Energy Resolution for Mixtures of Xenon with sub-percentage quantities of CO2 for the NEXT Experiment

Abstract

A natureza dos neutrinos é uma das questões mais importantes na atualidade da física. A sua resposta terá um grande impacto em diferentes campos da física, como por exemplo na física de partículas, na cosmologia e na física experimental de neutrinos. Esta natureza pode ser testada através da deteção do processo de decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos. Se este decaimento se confirmar não haverá dúvida de que os neutrinos são partículas de Majorana, em vez de partículas de Dirac, como o Modelo Padrão da Física de Partículas assume. A experiência NEXT está a desenvolver uma TPC com xénon a alta pressão e que usa o processo de eletroluminescência como meio de amplificação do sinal de ionização primária, causada pelas interações da radiação com o meio gasoso. O processo de eletroluminescência permite uma amplificação de sinal efetiva com reduzidas flutuações estatísticas quando comparadas com o processo de amplificação de sinal através de multiplicação em carga. É necessário atingir uma resolução em energia muito boa para obter uma discriminação eficiente do decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos no xénon, tanto do fundo provocado pelas interações gama, como do próprio decaimento beta duplo com emissão de neutrinos. Este último é um mecanismo algumas ordens de grandeza mais frequente do que o ββ0ν. A capacidade de reconhecimento da topologia da ionização primária do evento ββ0ν possibilitará uma posterior distinção dos eventos ββ dos eventos resultantes das interações gama. No entanto, o xénon é um gás muito lento com elevada difusão de eletrões, sendo estes fatores uma desvantagem para a distinção acima referida. A adição de aditivos moleculares ao xénon puro terá um impacto significativo na redução da difusão da nuvem de eletrões primária e no aumento da velocidade de deriva dos eletrões na mistura. Contudo, estes aditivos causarão também uma redução do rendimento de cintilação da mistura e um aumento das flutuações estatísticas associadas à produção de eletroluminescência uma vez que o eletrão de deriva, ao colidir com uma molécula, irá perder parte da sua energia cinética para os estados vibracionais e rotacionais desta, não havendo desta forma produção de cintilação. Portanto, terá de ser feito um compromisso entre a concentração de aditivo molecular e a redução do rendimento de eletroluminescência ou o aumento das flutuações estatísticas associadas à produção de eletroluminescência, sendo este o estudo efetuado neste trabalho.