Studies of xenon mixtures with molecular additives for the NEXT electroluminescence TPC

Abstract

The detection of the neutrinoless double-beta (ββ0ν) decay might confirm that neutrinos are their own antiparticles and provide their absolute masses. Such breakthrough would have a profound impact on particle physics, bringing a new energy scale beyond the Standard Model. The NEXT experiment aims at searching for the ββ0ν decay from the 136Xe isotope, using a high-pressure xenon electroluminescence (EL) Time Projection Chamber (TPC). Given the long half-life of the ββ0ν decay, efficient discrimination of background events through ionization tracks imaging is a major requirement for the experiment. However, it is mainly limited by the large electron diffusion in xenon. Sub-perceptual concentrations of molecular gases might be enough to cool down electrons, improving the TPC position resolution. On the other hand, the EL yield drops, and the energy resolution (ER) could be compromised. In this thesis the impact of CO2, CH4 and CF4 on the EL yield and on the intrinsic energy resolution of xenon is evaluated using a driftless gas proportional scintillation counter (GPSC). The underlying dynamics of the driftless GPSC are accessed through the analysis of the photosensor waveforms, allowing estimating several fundamental parameters related with the scintillation mechanism and electron transport, such as the scintillation probability, electron attachment, fluctuations on the production of primary charges and EL photons, electron drift velocity and longitudinal electron diffusion. A systematic study has been carried out for several additive concentrations, measured with a Residual Gas Analyser (RGA). The comparison between the three additives is done for concentrations that reduce equally the electron diffusion according to simulations. The lowest impact on the mean number of EL photons produced per event was found to be for Xe-CF4 mixtures, but with the largest relative fluctuations resulting from the high dissociative electron attachment. On the other hand, CH4 showed the strongest impact on the EL yield due to the high quenching of xenon excited states, but fluctuations in the photon production remain as negligible as in pure xenon. The energy resolution achievable in the NEXT-100 TPC for each additive concentration was extrapolated based on these results, CH4 presenting the overall best performance and CF4 the worst. Assuming a reduced electric field in the drift region of 20 V/cm/bar and a gas pressure of 10 bar (or 15 bar), the 3-dimentional electron spread per drifted meter may be reduced down to 2.3 mm (or 1.8 mm), which is close to the thermal limit, with a CH4 concentration of 0.37 %, resulting in a modest degradation of the energy resolution from 0.33 % to 0.42 % (or 0.38 %). From the technical point of view, CH4 exhibited stability, while CO2 was found to be very reactive with the gas purification system.

A eventual deteção do decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos (ββ0ν) provará que não existe distinção entre neutrinos e antineutrinos, permitindo ainda calcular as suas massas. Esta descoberta poderá revolucionar a física de partículas, conduzindo a avanços para além do estabelecido no Modelo Padrão. A experiência NEXT pretende detetar o decaimento ββ0ν do isótopo 136Xe utilizando uma câmara de projeção temporal (TPC) baseada em eletroluminescência (EL), com enchimento a xénon a alta pressão. A discriminação eficiente de eventos de fundo através da sua topologia dos mesmos é crucial para a experiência, em virtude do elevado tempo de meia vida deste decaimento. Esta técnica apresenta limitações, principalmente devido à elevada difusão dos eletrões no xénon, a qual poderá ser reduzida pela adição de pequenas quantidades de gases moleculares, de modo a arrefecer os eletrões. Em contrapartida, o rendimento de EL é deteriorado e a resolução em energia poderá ficar comprometida. O trabalho bem como os resultados expostos nesta tese avaliam o impacto da adição de CO2, CH4 e CF4 no rendimento de EL e na resolução em energia intrínseca, utilizando para esse fim um contador gasoso proporcional de cintilação (GPSC). A partir da análise da forma da onda à saída do foto-sensor, é possível compreender os processos físicos que ocorrem dentro do detetor, e estimar alguns parâmetros relacionados com a cintilação e o transporte de eletrões, tais como a probabilidade de cintilação, a captura de eletrões pelas moléculas, as flutuações na produção de cargas primarias e fotões de EL, a velocidade de deriva e a difusão longitudinal dos eletrões. Foi realizado um estudo sistemático de alguns destes parâmetros para várias concentrações de aditivos, as quais foram medidas utilizando um analisador de gases residuais (RGA). A comparação entre os três aditivos é efetuada tendo em conta as concentrações que permitem obter difusões semelhantes, de acordo com as simulações. O CF4 demonstrou ter o menor impacto no número médio de fotões de EL produzidos por evento, mas com grandes flutuações relativas, devido à elevada captura de eletrões. Por outro lado, o CH4 originou a maior redução do rendimento de EL, mas com flutuações relativas desprezáveis. Estes resultados foram ainda usados para extrapolar a resolução em energia da TPC do NEXT, onde o CH4 demonstrou ter o melhor desempenho, e CF4 o pior. Assumindo que o campo elétrico reduzido na zona de deriva é 20 V/cm/bar e a pressão é 10 bar (ou 15 bar), então a dispersão tridimensional dos eletrões por metro de deriva será 2.3 mm (ou 1.8 mm), com uma concentração de 0.37 % de CH4, o que degrada ligeiramente a resolução de 0.33 % para 0.42 % (ou 0.38 %). O CH4 mostrou ser bastante estável, ao contrário do CO2 que reage com o sistema de purificação do gás.