Calibration of the NEXT-DEMO++ Electroluminescent Time Projection Chamber within the NEXT Experiment

Abstract

Um dos mistérios que persiste em Física consiste na assimetria matéria-antimatéria e a predominância da matéria. Uma das teorias que tenta explicar esta assimetria é a leptogenesis: uma assimetria leptogénica pode induzir uma assimetria bariónica. A chave prende-se com a natureza do neutrino, um leptão que, até às mais recentes experiências de oscilação de neutrinos, se pensava não ter massa. Um neutrino pode ser uma partícula Dirac ou uma partícula Majorana. Se for uma partícula Majorana, então a sua partícula é idêntica à sua antipartícula.Um processo promissor que pode provar se o neutrino é uma partícula Majorana seria a observação do decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos . Neste decaimento raro não existe emissão de neutrinos violando, assim, a conservação do número leptónico total, um postulado do Modelo Padrão, traduzindo-se num ponto a favor da leptogenesis. As experiências que estudam o decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos baseiam-se na deteção inequívoca dos eletrões emitidos, com a necessidade de massa elevadas do isótopo em causa, bem como tempos de exposição elevados. Além disso, a escolha de um isótopo com elevado valor de Q favorece o processo. No entanto, é também importante atingir resoluções em energia que permitam distinguir o sinal deste decaimento do sinal do decaimento com emissão de neutrinos. Ainda, devido ao facto de alguns componentes internos do detetor poderem ter isótopos que decaiam com energias similares a do decaimento em causa, é necessário ter uma forte rejeição de ruído de fundo. A experiência NEXT é uma das experiências que usa 136Xe gasoso numa Câmara de Projeção Temporal a alta pressão. É fundamental o uso de xénon dado que o tempo de semivida no seu decaimento beta duplo com emissão de neutrinos ser relativamente lento quando comparado com o decaimento sem emissão de neutrinos. A EL é um processo linear e com menores flutuações quando comparado com detetores baseados em avalanche. É possível obter um sinal com uma energia proporcional à energia das partículas incidentes, permitindo atingir resoluções em energia FWHM menores que 0.5 %.Os detetores do NEXT baseiam-se no príncipio SOFT, que consiste em recolher a informação sobre a energia e posição tridimensional da ionização primária em diferentes planos. Enquanto que a energia é registada em PMTs, as coordenadas (X, Y) são registadas por SiPMs. A coordenada Z é calculada a partir da diferença temporal entre os sinais de cintilação primária e secundária.O NEXT-DEMO++ é uma versão atualizada do protótipo anterior com o propósito de estudar diferentes misturas gasosas de modo a reduzir a difusão dos eletrões. Além disso, dado que usa os mesmos sensores que o detetor NEW e o NEXT-100, é um excelente detetor para testar vários aspetos do NEXT-100 e de futuros detetores. A resposta de um detetor do NEXT depende da posição do evento inicial. Para mitigar este efeito, que se traduz na degradação da resolução em energia, é necessário calibrar o detetor de modo a normalizar a energia dos eventos nas diferentes regiões. Estas calibrações resultam em mapas de calibração que usam o decaimento de 83mKr, uma fonte radioativa interna de baixa energia. A produção destes mapas consiste na seleção dos dados para reduzir a contribuição de outros eventos e do ruído de fundo e, posteriormente, na correção da energia (que consiste no fit de uma função exponencial onde a carga inicial, o tempo de deriva e o tempo de vida são parâmetros).Após aplicar os mapas de calibração, a distribuição de energia é melhorada. Neste caso, a distribuição de energia corrigida está maioritariamente concentrada em 11200 pes, enquanto que a distribuição de energia não corrigida varia entre 10500 pes, para a região radial 0 < R < 20 mm e entre 11000 pes para a região mais exterior do detetor. A melhor forma de descrever o sinal de energia consiste em fazer um fit da uma função gaussiana na região do pico e uma função polinomial para descrever o fundo. A resolução em energia obtida varia entre 3.6 e 4.2 % para a região radial 20 < R < 30 mm e um tempo de deriva 150 < DT < 200 us para o primeiro valor e 0 < R < 20 mm e 0 < DT < 50 us para o segundo. A diferença entre os dois valores é atribuída a diferentes significâncias estatísticas.Foi feito ainda um perfil radial das correções aplicadas. A energia dos eventos é corrigida cerca de 2 % até uma região radial de R = 40 mm, aumentando à medida que nos aproximamos da região mais exterior do detetor até um valor de 7 %.O tempo de vida dos eletrões não depende do seu tempo de deriva e, consequentemente, na coordenada Z. O tempo de vida obtido tem um valor médio de cerca de 48 ms, um valor mais elevado quando comparado com os outros detetores.A dependência da energia, para fontes de alta energia, com o tamanho da Z-track, foi observada e quantificada. De modo a explorar possíveis explicações, foram feitas modificações no detetor e está a ser feita a coleção e análise dos dados.

One of the still lingering mysteries in Physics is the asymmetry matter-antimatter and the reason for the predominance of matter. One of the theories that tries to explain this asymmetry is related to leptogenesis, a lepton asymmetry that would induce baryon asymmetry. The key relies on the nature of neutrino, a lepton that until the recent neutrino oscillation experiments was thought to be massless. The possibility arises for the neutrino to be either a Dirac or a Majorana particle. If it is a Majorana neutrino, then its particle is equivalent to the respective antiparticle. A promising process to prove that the neutrino is a Majorana particle would be the observation of the neutrinoless double beta decay. In this proposed rare decay there is no emission of neutrinos, violating the total lepton number conservation, a postulate of the SM, that would introduce then a process in favour of leptogenesis.The experiments searching for the neutrinoless double beta decay rely on the unarguable detection of the released electrons, requiring large masses of the decaying isotope and large exposure times. In addition, an isotope selection with large Q value. More importantly, however, is an energy resolution close to the intrinsic limit to distinguish the signal from this decay from that with neutrino emission. Moreover, a strong background rejection is important as some internal radioactive components may have decay energies close to the decay energy of the neutrinoless decay. The NEXT experiment is one of the experiments working with gaseous 136Xe, using a TPC at high pressure. Using xenon is fundamental since it has a decay rate for the double beta decay (with neutrino emission) rather slow compared to the expected in the neutrinoless mode. EL is a linear process compared to avalanche detectors, with smaller fluctuations. It is possible to obtain a signal with an energy proportional to the incident particles, thus allowing an energy resolution at FWHM below 0.5 % at the selected energies. The NEXT detectors are based in the SOFT principle, where the energy and tracking information are obtained in different planes. This TPC allows for the reconstruction of the 3-dimensional position and the determination of the energy of the primary ionisation event. While the energy is recorded with PMTs, the (X,Y) positions are recorded by SiPMs. The Z-coordinate is calculated from the time difference between the primary and secondary scintillation signals. The NEXT-DEMO++ is an upgraded version of the previous prototype with the purpose of studying different gas mixtures that could reduce the diffusion of the drifting electrons. Moreover, as it has been built with the same sensors as the NEW and NEXT-100 detectors, NEXT-DEMO++ has become an ideal test-bench for NEXT-100 and future NEXT detectors.The response of NEXT detectors depends on the position of the initial event. To mitigate this effect, that would translate in a degradation of the energy resolution, it is necessary to calibrate the detection to normalise the energy of events occurring in different regions of the detector. This calibration results in the so-called calibration maps that uses an internal 83mKr point-like, evenly distributed source. The production of the maps consists on minimising the contribution of undesired events and background by data selection and on correcting the energy of the events (in the case with an exponential function with initial charge, drift time and lifetime of the electrons as parameters).Applying the calibration maps to the data collected results in improved energy distributions. In our case, the correct energy is mostly concentrated around 11200 pes, while the uncorrected energy varies between 10500 pes, for a radial region of 0 < R < 20 mm, to 11000 pes in the outer regions. The best description of the krypton energy distribution was found to be the fitting of a Gaussian function to the signal contribution and a polynomial function to the background. The energy resolution varies from 3.6 to 4.2 % for a radial selection of 20 < R < 30 mm and a drift time of 150 < DT < 200 us and for 0 < R < 20 mm and 0 < DT < 50 us, respectively. The fluctuations on the value are attributed mainly to lower statistical significance.From the geometry of the system, a profile of the radial correction was created. The energy of the events is corrected around 2 % until a radius of R = 40 mm, with the correction increasing as the radial section is considered until a maximum of 7 %.The electrons' lifetime does not depend on the drift time, thus on the Z-coordinate. The lifetime maps also show a lifetime of around 48 ms, a higher value when compared to other NEXT detectors.The dependence of the energy, for high-energy sources, on the length of the Z-track has also been observed and quantified. Changes in the detector's configuration have been made to explore possible explanations to these observations and data taking is currently ongoing.