Demonstration of electroluminescent TPC technology for neutrinoless double beta searches using the NEXT-DEMO detector

La tesis comença amb la descripció del camp de la física de neutríns i la seva evolució en els últims anys. Els primers capitols proporcionen una descripció detallada de la motivació teórica de la naturalessa Majorana del neutrí, les seves implicacions i quins son els processos mès suceptibles de ser medits experimentalment. En este sentit explica perquè la desintegració doble es el process on hi ha mès possibilitats de trobar processos que violen el nombre leptonic en dos unitats i per tant es un dels processos on s’està fent un esforç mès gran en aconseguir resultats experimentals. A continuació fa una explicació i un resum dels experiments actuals mès importants, principalment EXO-200, KamLand-Zen i GERDA, explicant amb detall tant el process experimental com els resultats obtessos. En el següent capitol fa una descripció del detector NEXT. En primer lloc es descriu el process de detecció dels senyals en el detector on s’introdueix el concepte “Separated Optimized Function TPC” (SOFT). Concepte que es fonamental per conseguir un detector que siga capaç d’obtenir una reconstrucció topológica dels events dins del detector sense renunciar a la excellent resolució en energia que tan sols es pot aconseguir en detectors de gas amb una amplificació lineal com la que aconseguim amb el process de l’electroluminescencia. Aquest process, el de l’electroluminescencia, també ve descrit en aquest capitol resaltant els concepts mès importants i perquè es tan important per a un detector com el que la colaboració NEXT vol construïr. A continuació, es passa a la descripció del detector NEXT-DEMO que es sobre el que s’ha realitzat el treball de la tesis. La descripció d’aquest detector inclou tot tipus de detalls, desde el tipus de materials emprats fins a la descripció del trigger per a l’adquisició de dades passant per els camps electrics als que operava el detector o la pressió a la que ho feïa. Tot seguit, es present els primers resultats que es varen obtindre amb aquest detector i que son la part fonamental de la tesis. Aquest resultats impliquen resolució d’energia i reconstrucció de la posició i la topologia dels events amb dos configuracions diferents: Amb un plà de tracking format per 19 tubs fotomultiplicadors (PMTs), i una segona configuració amb fotomultiplicadors de Silici (SiPMs). Al llarg d’aquests capitols s’explica el process d’anàlisis de la senyal. En aquest sentit, es descriu quines son les dificultats per a conseguir una bona resolució en energia (correció degut a la perduda de electrons al llarg de la deriva en el detector, correccions espacials relacionades amb les diferents eficiencies dels fotomultiplicadors,…) i s’explica com solucionar estes dificultats per a aconseguir una de les millors resolucions en energía del món per a aquests tipus de detectors. Pel que fa a la reconstrucció topológica, es descriu el proces basic de reconstrucció emprant el mètode del baricentre i es mostra la reconstrucció d’alguns events dins del detector NEXT-DEMO. Per últim, la tesis finalitza en capitol on es descriuen els dos següents detectors que la col·laboració està construïnt: NEW i NEXT-100. En aquest capitol es fa una descripció dels materials i el disseny d’aquestos dos detectors. Per a concluïr, es mostra quina es la sensitivitat sobre la vida mitja del process de desintegració doble beta que esperem obtindre amb NEXT-100

High Pressure Gas Xenon TPCs for Double Beta Decay Searches

This article reviews the application of high pressure gaseous xenon time projection chambers to neutrinoless double beta decay experiments. First, the fundamentals of the technology and the historical development of the field are discussed. Then, the state of the art is presented, including the prospects for the next generation of experiments with masses in the ton scale range

The Event Detection System in the NEXT-White Detector

[EN] This article describes the event detection system of the NEXT-White detector, a 5 kg high pressure xenon TPC with electroluminescent amplification, located in the Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), Spain. The detector is based on a plane of photomultipliers (PMTs) for energy measurements and a silicon photomultiplier (SiPM) tracking plane for offline topological event filtering. The event detection system, based on the SRS-ATCA data acquisition system developed in the framework of the CERN RD51 collaboration, has been designed to detect multiple events based on online PMT signal energy measurements and a coincidence-detection algorithm. Implemented on FPGA, the system has been successfully running and evolving during NEXT-White operation. The event detection system brings some relevant and new functionalities in the field. A distributed double event processor has been implemented to detect simultaneously two different types of events thus allowing simultaneous calibration and physics runs. This special feature provides constant monitoring of the detector conditions, being especially relevant to the lifetime and geometrical map computations which are needed to correct high-energy physics events. Other features, like primary scintillation event rejection, or a double buffer associated with the type of event being searched, help reduce the unnecessary data throughput thus minimizing dead time and improving trigger efficiency.The NEXT collaboration acknowledges support from the following agencies and institutions: the European Research Council (ERC) under the Advanced Grant 339787-NEXT, the Ministerio de Economia y Competitividad and the Ministerio de Ciencia, Innovacion y Universidades of Spain under grants FIS2014-53371-C04, RTI2018-095979, the Severo Ochoa Program SEV-2014-0398 and the Maria de Maetzu Program MDM-2016-0692; the GVA of Spain under grants PROMETEO/2016/120 and SEJI/2017/011; the Portuguese FCT under project PTDC/FISNUC/2525/2014, under project UID/FIS/04559/2013 to fund the activities of LIBPhys, and under grants PD/BD/105921/2014, SFRH/BPD/109180/2015 and SFRH/BPD/76842/2011; the U.S. Department of Energy under contracts number DE-AC02-06CH11357 (Argonne National Laboratory), DE-AC02-07CH11359 (Fermi National Accelerator Laboratory), DE-FG02-13ER42020 (Texas A&M) and DE-SC0019223/DE-SC0019054 (University of Texas at Arlington); and the University of Texas at Arlington. DGD acknowledges Ramon y Cajal program (Spain) under contract number RYC2015-18820. We also warmly acknowledge the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) and the Dark Side collaboration for their help with TPB coating of various parts of the NEXT-White TPC. Finally, we are grateful to the Laboratorio Subterraneo de Canfranc for hosting and supporting the NEXT experiment.Esteve Bosch, R.; Toledo Alarcón, JF.; Herrero Bosch, V.; Simón Estévez, A.; Monrabal Capilla, F.; Álvarez-Puerta, V.; Rodriguez-Samaniego, J.... (2021). The Event Detection System in the NEXT-White Detector. Sensors. 21(2):1-19. https://doi.org/10.3390/s21020673S11921

Near-intrinsic energy resolution for 30-662 keV gamma rays in a high pressure xenon electroluminescent TPC

We present the design, data and results from the NEXT prototype for Double Beta and Dark Matter (NEXT-DBDM) detector, a high-pressure gaseous natural xenon electroluminescent time projection chamber (TPC) that was built at the Lawrence Berkeley National Laboratory. It is a prototype of the planned NEXT-100 136Xe neutrino-less double beta decay (0νββ) experiment with the main objectives of demonstrating near-intrinsic energy resolution at energies up to 662 keV and of optimizing the NEXT-100 detector design and operating parameters. Energy resolutions of ∼1% FWHM for 662 keV gamma rays were obtained at 10 and 15 atm and ∼5% FWHM for 30 keV fluorescence xenon X-rays. These results demonstrate that 0.5% FWHM resolutions for the 2459 keV hypothetical neutrino-less double beta decay peak are realizable. This energy resolution is a factor 7-20 better than that of the current leading 0νββ experiments using liquid xenon and thus represents a significant advancement. We present also first results from a track imaging system consisting of 64 silicon photo-multipliers recently installed in NEXT-DBDM that, along with the excellent energy resolution, demonstrates the key functionalities required for the NEXT-100 0νββ searc