Juan José Gómez Cadenas, investigador de Ikerbasque en DIPC, ha publicado un artículo que revisa la aplicación de las TPCs de xenón gaseoso a alta presión a los experimentos de doble desintegración beta sin neutrinos. Primero, se discuten los fundamentos de esta tecnología y el desarrollo histórico del campo. Luego, se presenta el estado de arte de la técnica, incluidas las perspectivas para la próxima generación de experimentos con masas a escala de toneladas.
Fundamentos
Durante la última década, los TPC de xenón han surgido como herramientas poderosas para el estudio de eventos raros, en particular con respecto a las búsquedas de materia oscura y la doble desintegración beta sin neutrinos (ββ0ν). Su principio de funcionamiento es el mismo que para todos los TPC: la radiación cargada ioniza el fluido y los electrones de ionización se desvían bajo la acción de un campo eléctrico a planos de imagen sensibles, donde se recopila su información de posición transversal (X, Y). Sus tiempos de llegada (relativos al tiempo de inicio del evento, o t0) se traducen luego a posiciones longitudinales, Z, a través del promedio de su velocidad de deriva.
Sin embargo, la aplicación de TPC a las búsquedas de ββ0ν tiene sus propias peculiaridades. En este caso, el xenón no es solo el medio sensible, sino también el objetivo donde se producen las desintegraciones. Dado que la sensibilidad de la búsqueda es proporcional a la masa objetivo, el aparato debe ser lo más grande y compacto posible, lo que conduce a TPC de xenón gaseoso de alta presión (HPXe) o de xenón líquido (LXe). Además, la energía de la descomposición es muy baja y, por lo tanto, las pistas dejadas por los dos electrones pueden ser bastante cortas para los detectores HPXe o incluso objetos puntuales para las cámaras LXe.
El programa NEXT
El proyecto NEXT (por sus siglas en inglés, Neutrino Experiment with a Xenon TPC) es un programa experimental que desarrolla la tecnología TPC de gas de xenón a alta presión con amplificación electroluminiscente para búsquedas de doble desintegración beta sin neutrinos (ββ0ν).
La primera fase del programa incluyó la construcción, puesta en marcha y operación de dos prototipos, llamados NEXT-DBDM y NEXT-DEMO (con masas de alrededor de 1 kg).
El detector NEXT-White2, que contiene 5 kg de xenón, implementa la segunda fase del programa. NEXT-White ha estado funcionando con éxito desde octubre de 2016 en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), España.
NEXT-100 constituye la tercera fase del programa. Es un detector de radiopuro que despliega 100 kg de xenón a 15 bar y aumenta NEXT-White en algo más de 2:1 en las dimensiones longitudinal y radial. Además de un potencial de física competitivo con los mejores experimentos actuales en el campo, NEXT-100 puede considerarse como un demostrador a gran escala de la idoneidad de la tecnología HPXe-EL para masas de detectores a escala de toneladas.
La cuarta fase prevista del programa se llama NEXT-2.0, un detector que multiplicará la masa de NEXT-100 por un factor de 5 mientras reduce el fondo NEXT-100 en el ROI en al menos un orden de magnitud, gracias a la combinación de una firma topológica mejorada y un presupuesto radioactivo reducido. Además, NEXT-2.0 podría implementar el etiquetado Ba ++ basado en imágenes de fluorescencia de molécula única (SMFI, de las siglas en inglés Single-Molecule Fluorescence Imaging). La importancia de SMFI Ba ++ permitiría un experimento sin fondo en la escala de toneladas que lleva a una exploración completa de la Jerarquía Inversa (IH) y más allá, con una alta probabilidad de descubrimiento.
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