DOI: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14951-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41657942
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: C. Adams وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث فيزياء النيوترينو
نظرة عامة
تركز تعاون NEXT على التحقيق في تحلل بيتا المزدوجة لـ \(^{136}\text{Xe}\) باستخدام غرفة عرض زمنية كهربائية مضغوطة بالغاز (TPC). تحقق هذه التكنولوجيا المبتكرة دقة طاقة ملحوظة (≤ 1% FWHM عند قيمة \(Q_{\beta\beta}\) لتحلل بيتا المزدوجة بدون نيوترينو) وتمييز فعال للأحداث الطوبولوجية. بعد التقدم الذي تم إحرازه مع كاشف NEXT-White، بدأ كاشف NEXT-100 جمع البيانات في مختبر كانفرانك تحت الأرض (LSC) في مايو 2024. تم تصميمه للعمل مع غاز الزينون عند 13.5 بار، يستخدم NEXT-100 TPC التي تلتقط بدقة الطاقة والتوزيع المكاني للجسيمات المؤينة من خلال طائفتين من المستشعرات—واحدة مزودة بأنابيب مضاعفة ضوئية والأخرى بمضاعفات ضوئية من السيليكون.
لقد عمل الكاشف بنجاح تحت ظروف مستقرة باستخدام كل من غازات الأرجون والزينون عند حوالي 4 بار، مع مجالات انحراف تبلغ 74 فولت/سم و118 فولت/سم، على التوالي. تم استخدام تحللات ألفا من سلسلة \(^{222}\text{Rn}\) لتقييم وضمان استقرار الكاشف، مما يظهر عمر الإلكترون الثابت داخل حجم الانجراف. لا يقتصر هذا البحث على تفاصيل النتائج من تشغيل التكليف، بل يقدم أيضًا وصفًا شاملاً لتجميع كاشف NEXT-100 ويقدم التقديرات الحالية لميزانية نقاء الإشعاع الخاصة به.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية مراقبة تحلل بيتا المزدوجة بدون نيوترينو (ββ0ν)، والذي من شأنه أن يشير إلى انتهاك عدد اللبتونات ويوفر رؤى حول كتلة النيوترينو وعدم التماثل بين المادة والمادة المضادة في الكون. يهدف برنامج NEXT، الذي يستخدم غرف عرض زمنية مضغوطة بالغاز الزينون عالي الضغط (TPC) مع تضخيم كهربائي مضيء (HPXeTPC-EL)، إلى تعزيز البحث عن تحللات ββ0ν. أظهرت المراحل الأولية إمكانيات التكنولوجيا من خلال النماذج الأولية NEXT-DEMO وNEXT-DBDM، محققة دقة طاقة تبلغ 0.5% FWHM عند طاقة ββ0ν لـ \( Q_{\beta\beta} = (2457.8 \pm 0.4) \, \text{keV} \) ونجاح في تمييز الإشارة عن الخلفية.
أكدت المرحلة التالية، NEXT-White، تقنية HPXeTPC-EL في كاشف كبير الحجم، محققة دقة طاقة أفضل من 1% FWHM وقياس معدل تحلل بيتا المزدوجة ذو النيوترينوين (ββ2ν)، بينما وضعت حدًا على عمر نصف ββ0ν عند \( T_{0\nu} > 1.3 \times 10^{24} \, \text{yr} \) عند مستوى ثقة 90%. تم تصميم كاشف NEXT-100 الجاري، الذي بدأ عملياته في مايو 2024، لتعزيز الحساسية لعمر نصف ββ0ν إلى حوالي \( 10^{25} \, \text{yr} \) مع مؤشر خلفية أقل من \( 1 \times 10^{-3} \, \text{counts/(keV} \cdot \text{kg} \cdot \text{year)} \) ودقة طاقة تبلغ حوالي 1% FWHM. توضح الورقة تصميم NEXT-100 وأدائه، موضحة مكوناته وتحسيناته التشغيلية، بهدف إثبات قابلية توسيع تقنية HPXeTPC-EL لكواشف كبيرة الحجم في المستقبل.
مناقشة
تم تصميم كاشف NEXT-100، الموجود في وعاء ضغط بسعة 1.7 م³ مصنوع من سبيكة التيتانيوم النقي إشعاعيًا (316Ti)، لإجراء قياسات عالية الدقة في فيزياء الجسيمات. يتميز بنظام غاز متطور لتنقية غاز الزينون بشكل مستمر، والعديد من منافذ المعايرة لمصادر إشعاعية خارجية، ونظام درع مزدوج الطبقات. الطبقة الخارجية، المكونة من طوب الرصاص، تخفف من إشعاع غاما الخلفي، بينما تمنع درع النحاس النقي للغاية الداخلي (ICS) الأشعة السينية ذات الطاقة المنخفضة والإشعاع الثانوي. تم بناء غرفة العرض الزمنية (TPC) للكاشف بدقة باستخدام مواد نقية إشعاعيًا لضمان الحد الأدنى من التلوث، ويدعم قفص المجال الخاص بها دعامات من البولي إيثيلين عالي الكثافة، مما يسهل تجميع حلقات تشكيل المجال النحاسية ولوحات عاكسة للضوء.
تم تصميم الكاثود والشبكات الكهربائية (EL) في TPC لتحقيق أداء مثالي، مع شبكات من الفولاذ المقاوم للصدأ سداسية الشكل تضمن التوحيد والثبات تحت جهد عالٍ. يتم قياس الطاقة عبر طائرة الطاقة المزودة بـ 53 أنبوب ضوئي من نوع PMT، والتي ترتبط بنوافذ من الياقوت لتحسين جمع الضوء. تتيح طائرة التتبع، المكونة من 3584 SiPMs، إعادة بناء ثلاثية الأبعاد دقيقة لتفاعلات الجسيمات. تم ترقية نظام القراءة واكتساب البيانات (DAQ) من تجربة NEXT-White، حيث تم دمج نظام مزدوج للتشغيل للتعامل مع كل من بيانات المعايرة والبيانات الفيزيائية بكفاءة. بشكل عام، يركز تصميم كاشف NEXT-100 على نقاء الإشعاع، وسلامة الهيكل، ومعالجة الإشارات المتقدمة لتحقيق أهدافه التجريبية.
DOI: https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-025-14951-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41657942
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): C. Adams et al.
Primary Topic: Neutrino Physics Research
Overview
The NEXT collaboration focuses on investigating double beta decays of \(^{136}\text{Xe}\) utilizing a high-pressure gas electroluminescent time projection chamber (TPC). This innovative technology achieves remarkable energy resolution (≤ 1% FWHM at the \(Q_{\beta\beta}\) value for neutrinoless double beta decay) and effective topological event discrimination. Following the advancements made with the NEXT-White detector, the NEXT-100 detector commenced data collection at the Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) in May 2024. Designed to function with xenon gas at 13.5 bar, NEXT-100 employs a TPC that accurately captures the energy and spatial distribution of ionizing particles through two sensor planes—one equipped with photomultiplier tubes and the other with silicon photo-multipliers.
The detector has been successfully operating under stable conditions using both argon and xenon gases at approximately 4 bar, with drift fields of 74 V/cm and 118 V/cm, respectively. Alpha decays from the \(^{222}\text{Rn}\) chain have been utilized to assess and ensure the detector’s stability, demonstrating a consistent electron lifetime within the drift volume. This paper not only details the results from the commissioning run but also provides an in-depth description of the NEXT-100 detector’s assembly and presents the current estimates of its radiopurity budget.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of observing neutrinoless double beta decay (ββ0ν), which would indicate lepton number violation and provide insights into neutrino mass and the matter-antimatter asymmetry in the universe. The NEXT program, utilizing high-pressure xenon gas Time Projection Chambers (TPC) with electroluminescent amplification (HPXeTPC-EL), aims to advance the search for ββ0ν decays. Initial phases demonstrated the technology’s potential through prototypes NEXT-DEMO and NEXT-DBDM, achieving an energy resolution of 0.5% FWHM at the ββ0ν energy of \( Q_{\beta\beta} = (2457.8 \pm 0.4) \, \text{keV} \) and successfully differentiating signal from background.
The subsequent phase, NEXT-White, validated the HPXeTPC-EL technology in a large-scale detector, achieving an energy resolution of better than 1% FWHM and measuring the two-neutrino double beta decay rate (ββ2ν), while setting a limit on the half-life of ββ0ν at \( T_{0\nu} > 1.3 \times 10^{24} \, \text{yr} \) at 90% confidence level. The ongoing NEXT-100 detector, which began operations in May 2024, is designed to enhance sensitivity to the ββ0ν half-life to approximately \( 10^{25} \, \text{yr} \) with a background index below \( 1 \times 10^{-3} \, \text{counts/(keV} \cdot \text{kg} \cdot \text{year)} \) and an energy resolution of about 1% FWHM. The paper outlines the design and performance of NEXT-100, detailing its components and operational improvements, with the goal of demonstrating the scalability of the HPXeTPC-EL technology for future large-scale detectors.
Discussion
The NEXT-100 detector, housed in a 1.7 m³ pressure vessel made from radiopure titanium alloy (316Ti), is designed for high-precision measurements in particle physics. It features a sophisticated gas system for continuous purification of xenon gas, multiple calibration ports for external radioactive sources, and a dual-layer shielding system. The outer layer, composed of lead bricks, mitigates background gamma radiation, while an inner ultra-pure copper shielding (ICS) blocks lower-energy X-rays and secondary radiation. The detector’s Time Projection Chamber (TPC) is meticulously constructed with radiopure materials to ensure minimal contamination, and its field cage is supported by high-density polyethylene struts, facilitating the assembly of copper field shaping rings and light-reflecting panels.
The TPC’s cathode and electroluminescence (EL) meshes are engineered for optimal performance, with hexagonal stainless-steel meshes ensuring uniformity and stability under high voltage. The energy measurement is conducted via an Energy Plane equipped with 53 bialkali photocathode PMTs, which are coupled to sapphire windows for enhanced light collection. The Tracking Plane, consisting of 3584 SiPMs, allows for precise 3D reconstruction of particle interactions. The read-out and data acquisition (DAQ) system has been upgraded from the NEXT-White experiment, incorporating a dual trigger scheme to handle both calibration and physics data efficiently. Overall, the NEXT-100 detector’s design emphasizes radiopurity, structural integrity, and advanced signal processing to achieve its experimental goals.