Desde que el neutrino fue propuesto en 1930 por el físico austríaco Wolfgang Pauli, y posteriormente detectado experimentalmente en 1957 por los físicos Clyde L. Cowan and Frederick Reines, muchas propiedades de esta singular partícula han sido reveladas, como su spin, su carga eléctrica y su tipo de interacción con el resto de partículas del Modelo Standard. Sin embargo, una de las propiedades mas importantes que todavía no ha sido revelada es la propia naturaleza del neutrino, y como esta influenció en la evolución de nuestro Universo. Inicialmente, el neutrino fue introducido en el Modelo Standard de Física de Partículas como una partícula no masiva. Sin embargo, los experimentos desarrollados durante las ultimas décadas basados en la oscilación de neutrinos, han demostrado que estos deben tener masa, y por tanto, al igual que para el resto de leptones cargados, un termino de masa asociado a los neutrinos debe ser incluido en el Modelo Standard. Una de las maneras en las que este termino de masa puede ser incluido sugiere que los neutrinos podrían ser partículas de Majorana, es decir, idénticas a sus antipartículas, al contrario que el resto de fermiones del Modelo Standard. Actualmente, el único procedimiento experimental que puede confirmar la naturaleza Majorana del neutrino es la observación de la desintegración doble beta sin neutrinos, en donde un núcleo con número atómico Z y número másico A decae en su isóbaro de número atómico Z+2 emitiendo únicamente dos electrones.
El descubrimiento de este hipotético proceso establecería, sin lugar a dudas, la naturaleza Majorana del neutrino al mismo tiempo que proporcionaría información directa sobre la masa del neutrino, y por que esta debe ser tan pequeña comparada con el resto de fermiones de la misma generación. Además, la observación de esta desintegración demostraría que la conservación del número leptónico es violada en este proceso físico, resultado que puede ser asociado con la asimetría entre materia y antimateria de nuestro Universo mediante el proceso llamado leptogénesis.
El objetivo de todos los experimentos diseñados para observar la desintegración doble beta sin neutrinos es medir la semivida de este proceso. Sin embargo, esta medida está limitada por la sensibilidad experimental del detector empleado. En este momento, los experimentos EXO-200 y KamLAND-Zen ya se encuentran buscando la desintegración del isótopo 136Xe. Sin embargo, ambos experimentos han obtenido resultados negativos, estableciendo un límite combinado a la semivida de la desintegración > 3.4 × 10^25 años (90% CL). En paralelo, el experimento GERDA, que busca la desintegración del isótopo 76Ge, tampoco ha encontrado evidencias de este proceso, estableciendo un límite de > 2.1 · 10^25 años (90% CL).
El Experimento NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC), que será instalado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc, buscará la desintegración doble beta sin neutrinos del isótopo 136Xe utilizando una cámara de proyección temporal (TPC, por sus siglas en inglés), llena con 100 kg de xenón gaseoso enriquecido al 91% en su isótopo 136Xe, a una presión de 15 bares y con amplificación por Electroluminescencia (EL). Con esta tecnología, una resolución en energía mejor que el 1% en Qßß del 136Xe puede ser alcanzada gracias al pequeño factor de Fano del xenón gaseoso (FGXe = 0.15 ± 0.02) en comparación con otros medios de detección como el xenón líquido (FLXe ~ 20), y a las pequeñas fluctuaciones introducidas por un sistema de amplificación basado en Electroluminescencia. Además, el xenón gaseoso como medio de detección proporciona información topológica de los eventos, permitiendo discriminar entre eventos beta beta, caracterizados por una traza retorcida de unos 10 cm de longitud y con dos deposiciones de energía en ambos extremos, de eventos de ruido producidos por interacciones de gammas de alta energía con el xenón.
El proceso de detección en NEXT presenta sistemas independientes para la medida de la energía y la información topológica. Las partículas que interaccionan con el xenón gaseoso ionizan y excitan sus átomos. La energía transferida mediante excitación es liberada en forma de luz de centelleo en la región ultravioleta (~ 172 nm), y recogida por un plano de PMTs, el plano de energía, posicionado detrás del cátodo transparente de la TPC, dando lugar al inicio del evento. Los electrones de ionización producidos derivan hacia el ánodo de la TPC debido al campo eléctrico existente. Una vez allí, entran en una región con un campo eléctrico aún más intenso, donde son acelerados produciendo luz de Electroluminescencia. Esta luz es emitida isotrópicamente, por lo que parte es detectada por el plano de energía mencionado anteriormente, proporcionando una medida precisa de la energía. Por otro lado, el resto de luz EL es detectada por un plano de SiPMs, el plano de tracking, posicionado a tan solo unos milímetros de donde esta luz es generada, aportando la información topológica del evento.
Para demostrar que el concepto de detección propuesto por NEXT es factible, el prototipo NEXT-DEMO fue construido y operado en el Instituto de Física Corpuscular de Valencia. Dicho prototipo consiste en una vasija de alta presión hecha de acero inoxidable y capaz de aguantar 20 bares de presión interna. Sus 60 cm de largo y 30 cm de diámetro contienen aproximadamente 1.5 kg de xenón a 10 bares de presión. Tres rejillas metálicas (cátodo, gate y ánodo), definen las dos regiones activas de la TPC. Por un lado, 30 cm de región de deriva entre el cátodo y el gate, y por otro 0.5 cm de región de electroluminescencia entre el gate y el ánodo. El cátodo es operado típicamente a -25 kV, mientras que gate y ánodo a -10 kV y 0 V respectivamente. Con estos valores, un campo eléctrico de unos 500 V/cm es creado en la región de deriva, y un E/p de unos 2.0 kV/bar cm en la región EL. Un juego de seis paneles de PTFE (Teflón) están presentes dentro formando un tubo de luz hexagonal. Este tubo de luz está recubierto además con un cambiador de longitud de onda (TPB), que aumenta la eficiencia de recolección de la luz de centelleo del xenón.
En el detector NEXT-DEMO, el plano de energía está formado por 19 PMTs de Hamamatsu modelo R7378A, mientras que el plano de tracking está formado por 256 SiPMs, también de Hamamatsu, modelo S10362-11-050P. Debido al gran numero de SiPMs utilizados, es imposible suministrar lineas de alimentación y lectura individuales a cada sensor, por ello, los SiPMs son montados en grupos de 64 elementos en tarjetas electrónicas, llamadas Dice Boards, y recubiertos con el mismo cambiador de onda mencionado anteriormente para adaptar la luz de centelleo del xenón a la región óptica donde estos sensores tienen su máxima sensibilidad.
Un estricto protocolo de deposición de la molécula TPB sobre los SiPMs ha sido desarrollado y diferentes caracterizaciones realizadas para asegurar la calidad de este procedimiento. Los resultados muestran que este método asegura deposiciones uniformes, reproducibles y capaces de ser almacenadas a largo término. Al mismo tiempo, la aplicación directa de TPB sobre la superficie de los SiPMs, parece incrementar la sensibilidad de estos sensores a la luz de centelleo del xenón en casi un orden de magnitud.
Por otro lado, la descripción del proceso de funcionamiento y de las propiedades dinámicas de los SiPMs ponen de manifiesto la necesidad de corregir los parámetros de operación de estos sensores debido a los efectos introducidos por cambios en las condiciones durante la toma de datos. Para ello, una fuente de alimentación autocorregible ha sido diseñada y construida para asegurar la respuesta uniforme de los SiPMs con el tiempo. Durante la operación del prototipo NEXT-DEMO, la abundancia de emisiones de rayos X por los átomos de xenón gracias a la interacción con gammas provenientes de diferentes fuentes radioactivas, ha sido identificada como una herramienta útil a la hora de caracterizar parámetros fundamentales del detector al mismo tiempo que proporcionan su ecualización en respuesta. La ventaja de utilizar estos eventos proviene de que están distribuidos por todo el volumen del detector y que su rango de alcance es pequeño, menor que un milímetro, por lo que producen deposiciones que pueden ser consideradas puntuales. Estas deposiciones han sido empleadas para describir la geometría del detector así como la pérdida de carga por la presencia de impurezas en el gas, proporcionando los factores de corrección necesarios para la correcta medida de la energía depositada.
Estas correcciones han sido aplicadas utilizando un método basado en la suma pesada de los PMTs para econstruir la energía depositada por gammas provenientes de fuentes de 22Na y 137Cs, obteniendo una resolución en energía de (5.691 ± 0.003)% FWHM a 29.7 keV y (1.62 ± 0.01)% FWHM para 511 keV. La extrapolación de estos resultados al Qßß del 136Xe predice una resolución en energía de 0.6256% FWHM y 0.7353% FWHM respectivamente
