文摘

下一个是一个实验来无中微子双β-衰变的致力于搜索氙。探测器是TPC, 100公斤的高压氙气丰富^136年Xe同位素。是在建Laboratorio Subterraneo de Canfranc在西班牙,它将在2015年开始运营。下一个探测器的概念提供了一个能量和拓扑resolutionbetter超过1%的半最大值宽度信号,可用于减少背景。此外,下一个技术可以外推到1 ton-scale实验。

为纪念我们的朋友和导师詹姆斯怀特

1。介绍

介绍了当前状态和未来前景的氙TPC中微子实验(下)(http://next.ific.uv.es/next)。项目的主要目标是建设,调试,和操作的下- 100探测器高压氙气(HPXe)时间投影室(TPC)。下一个- 100来无中微子双β-衰变的将搜索(使用100公斤)事件的氙同位素浓缩为90%。实验将在Laboratorio Subterraneo de Canfranc (LSC),从2015年开始。下一个合作机构包括从西班牙、葡萄牙、美国、俄罗斯、和哥伦比亚。

发现潜在的HPXe TPC结合四个理想的特性,使它的一个理想实验搜索,即(1)优秀的能量分辨率(0.5 -0.7%的应用感兴趣的区域),(2)拓扑签名(两个电子的轨道)的观察,(3)充分活跃,非常radiopure装置大质量,(4)的能力扩展技术ton-scale实验,

目前,两个xenon-based实验,质量在几百公斤,是主导的领域搜索。这些都是外面的200(液态氙TPC) [1)和KamLAND-Zen(大、液体闪烁体量热器,氙是溶解在闪烁体)(2]。接下来有更好的分辨率和额外的处理识别的两个电子,这可能导致发现,尽管晚开始。如果找到证据的外200或KamLAND-Zen信号的存在,接下来将是适合确认它在一个明确的方式,特别是考虑到拓扑特征的辨别能力。

200年外的负面结果和KamLAND-Zen表明有效的中微子质量(以数量衰变,进一步讨论了后面的文本)必须小于120 - 250伏,质量范围是由于不确定性的核矩阵元素。另一方面,最近的测量宇宙微波背景(CMB)通过普朗克实验(3,4)收益率上限的三个光中微子质量的总和230伏。后者结果排除了大部分的所谓的简并谱,三个中微子质量相对较大和相似。当前的敏感性实验是不够明显探索所谓的逆层次,要求敏感有效中微子质量20兆电子伏的范围(如果自然选择了所谓的正常的层次结构作为自己的首选模式中微子质量寻找如果不是绝望)过程变得极其困难。由此可见,下一代的实验必须提高灵敏度,通常一个数量级的有效中微子质量,或两个数量级的时期衰变。反过来,这要求增加100倍“典型”的曝光值目前的实验(因此从~每年100公斤~一吨每10年),而在同一时间减少100倍剩余的背景(例如,从一些事件/每吨100公斤~ 0.1事件)。

这个巨大的挑战需要一个探测器能够部署一个大源纯同位素的质量在一个合理的成本。目前,只有氙展现了这一功能。已经有超过一吨浓缩氙,属于KamLAND-Zen(800公斤),外200(200公斤),下一个(100公斤)。此外,氙探测器完全活跃(检测中是一样的同位素源)和可伸缩的,要么是tpc(200年外,下一个)或闪烁热量计的氙溶解闪烁体(KamLAND-Zen)。

物理的HPXe TPC突出,鉴于结合优秀的能量分辨率和高背景抑制能力的观测提供了两个电子。下- 100将在这方面,也为下一代ton-scale作为跳板,HPXe实验。

本文组织如下。部分2描述了马约喇纳中微子和物理学搜索、评论氙实验,并讨论他们的发现潜力。下一个探测器是描述的一些细节部分3,而部分4给下一个背景模型的细节。部分5我们两致发光原型,描述NEXT-DEMO NEXT-DBDM。最后,结论提出了部分6。

2。未来的物理学

2.1。马约喇纳中微子和实验

费米子中微子,与其他标准模型,可以真正的中性粒子,即区别他们的反粒子。这样的存在马约喇纳中微子意味着新能源的存在的物理特征新的动力超越标准模型,提供了最简单的解释为什么中微子质量非常轻于费米子。(这个词马约喇纳中微子荣誉意大利物理学家马约喇纳,1937年发表的一项基本文献[5)他“建立一个大幅的小说理论电荷的粒子被剥夺。“即使在那些时代唯一已知的“充电”电荷,马约拉那隐式地假定粒子剥夺了所有可能的指控。在现代语言,中微子应该没有任何轻子数。换句话说,马约喇纳理论描述完全中立的自旋1/2粒子与反粒子。)理解的新物理学中微子质量是粒子物理学中最重要的开放问题。它可以产生深远的影响对我们理解对称断裂的机理,质量的起源,和味道的问题6]。

此外,马约喇纳中微子的存在意味着轻子数不是一个守恒的量子数。反过来,这可能的起源物质反物质不对称观察到的宇宙中。新物理学有关中微子质量可以提供一种新的机制来产生不对称,叫做leptogenesis [7,8]。虽然预测模型的依赖,两个基本成分必须通过实验证实:轻子数和的违反CP违反轻子部门。

唯一可行的方法来建立实验,中微子是自己的反粒子的检测是近年双β衰变()。这是一个假设的核放射性过程非常缓慢质子衰变为细胞核质子和相同的质量数,发射两个电子,基本上所有释放的能量()。这个过程可能发生当且仅当中微子是巨大的,马约喇纳粒子。

几个潜在的物理机制超出了标准模型被提出,最简单的一个虚拟交换光马约喇纳中微子,如图1。假设这是占主导地位的过程在低能量下,的半衰期可以写成

在这个方程,是一个完全可靠的相空间积分两个电子的发射;是核矩阵元素(NME)的过渡,从理论上计算;和是有效的马约喇纳质量电子中微子: 在哪里中微子质量态下和吗中微子混合矩阵的元素。因此,衰变率的测量会在中微子质量提供直接的信息。

之间的关系和实际的中微子质量影响测量振荡参数的不确定性,未知的中微子质量排序(正常或倒),在中微子混合矩阵和未知的阶段。当前提供的中微子质量知识和英文中微子振荡实验总结在图2(一个)。图中显示了两种可能的大规模推广,与中微子振荡的数据兼容,与增加中微子从下到上。之间的关系和最轻的中微子质量(等于或在正常和反向质量排序,resp)如图2 (b)。

上限有效马约喇纳质量对应于实验设定的约束Heidelberg-Moscow (HM)的实验,这是直到最近最敏感的限制的半衰期:年CL (90%9]。HM的小组实验解释数据证据一个积极的信号,半衰期为最佳值年,对应于一个有效的马约喇纳质量约300伏(10]。这种说法非常有争议,过去十年的实验工作都集中在证实或驳斥它。最近KamLAND-Zen和挂式实验的结果几乎排除了主张,和格尔达等其他实验的新数据11),米AJORANA(12,库雷(13很快就会彻底解决这个问题。

2.2。当前一代的实验

探测器用于搜索设计,一般来说,测量辐射的能量由一个吗源。在近年双β衰变,释放的动能之和两个电子总是相同的,等于父母和女儿原子核的质量区别:。然而,由于有限的任何探测器的能量分辨率,事件将会重建一个给定的能量范围内围绕和典型的高斯分布。其他进程发生在探测器可以在那个区域的能量,因此成为一个背景和影响的敏感性实验(14]。

所有双β衰变实验必须处理一种内在的背景、标准two-neutrino双β衰变(),它只能被压抑的能量分辨率好。背景起源于宇宙发生的力的地下运行探测器。来自天然辐射探测器材料和环境很容易淹没信号峰值,因此小心radiopure材料的选择是至关重要的。额外的实验签名,如事件拓扑信息,允许信号和背景的区别,奖金提供一个健壮的结果。

除了能量分辨率和背景的控制,其他因素,如探测效率和可伸缩性大质量的设计必须考虑双β衰变的实验。所有这些参数的同时优化大部分时间是冲突的,如果不是不可能,因此提出了许多不同的实验技术。为了进行比较,品质因数,实验灵敏度,通常是使用[14]: 在哪里是信号检测的效率,是同位素质量使用的实验中,数据采集时间,是能量分辨率,然后呢是背景地区的利率(表示每公斤计算的同位素,keV)。

正在进行的和计划的实验中,利用许多不同的实验技术,每个都有其优点和缺点。历史悠久的方法强调能量分辨率和探测效率目前牵头锗热量计耶尔达和MAJORANA库雷等,以及碲测辐射热计。其他的实验,并将在未来几年内是行动tracker-calorimeter SuperNEMO演示(15)和液体闪烁体量热器SNO + (16),同位素是溶解在闪烁体。的详细讨论的状态字段我们参考读者最近的一些评论15,17- - - - - -20.]。

不同的和强大的方法提出了使用xenon-based实验。他们两个,外20021]和KamLAND-Zen [22节),已经操作,如前所述1,而下一个(23)是在初始阶段的建设和预见2015年开始采取数据。

2.3。氙实验

氙almost-optimal元素搜索,有许多可取的属性,作为源和探测器。它有两个天然同位素衰变通过过程中,^134年Xe (凯文)和^136年Xe (凯文)。后者,有更高价值,是首选自衰变率成正比和放射性背景不太丰富的在更高的能量。此外,模式^136年Xe缓慢(~年(22,24),因此实验要求良好的能量解决抑制这个特殊的背景不太严格的比其他来源。同位素同位素浓缩的过程^136年Xe相比是相对简单和廉价的同位素。氙没有长寿的放射性同位素,作为惰性气体,可以很容易地净化。

作为探测器,氙是一种惰性气体,因此可以构建一次投影室(TPC)与纯氙检测介质。液态氙(LXe) TPC和(高压)气体(HPXe) TPC合适的技术。然而,能量分辨率要好得多比液体,气体,因为在气相,氙的特点是一个小法诺因子,即电离产生的波动小于由于纯粹的泊松统计数据。世界上有史以来最大的HPXe室操作之前,接下来是圣哥达TPC [25]。它的总质量5公斤的氙的压力~ 5条。当时的技术(圣哥达实验被运行在90年代中期)允许实现适度能量分辨率(约)。两个电流实验使用氙200合作外,已选择LXe方法,和KamLAND-Zen实验中,溶解的同位素液体闪烁体。

2.3.1。挂式

200年外探测器(21)是一种对称LXe TPC部署110公斤的氙(浓缩到80.6%^136年Xe)。

200年外,电离指控中创建的氙带电粒子在电场的影响下漂移室的两端。那里,收集的电荷是一对交叉线飞机测量其振幅和横向坐标。两端的室还包括一系列的雪崩二极管(adp)检测178海里闪烁的光。室的两侧是聚四氟乙烯覆盖表作为VUV反射镜,提高光收集。同时测量电离作用电荷和闪烁的事件可能在原则上允许到达探测器的能量分辨率低至3.3%的半最大值宽度^136年Xe值,一个足够强烈的漂移电场(26]。

200年外探测器达到目前在4%的能量分辨率的半最大值宽度和背景的数/(凯文·公斤·y)感兴趣的区域(ROI)。感兴趣的区域周围的能量间隔对应于该决议通过一个实验,在里面是不可能区分的背景信号。实验也在寻找事件。总接触用于发表的结果是32.5公斤的一年。他们发表了限制的半衰期的年(1]。

2.3.2。KamLAND-Zen

KamLAND-Zen实验是著名的修改KamLAND中微子探测器(22]。透明气球,~ 3米直径,包含13吨的液体闪烁体装载320公斤的氙(浓缩到91%^136年Xe)暂停KamLAND的中心。事件发生所产生的闪烁光探测器是由一个数组记录的光电倍增管周围。事件顶点的位置重建的空间分辨率。的能量分辨率,在9.9%的半最大值宽度的价值。信号检测效率~ 0.42由于紧基准削减了拒绝背景起源于气球。能量的实现背景率2.2兆电子伏,3.0兆电子伏之间的窗口数/(凯文·公斤·y)。

KamLAND-Zen一直寻找事件的曝光89.5公斤的一年。他们发表了限制的半衰期的年(2]。

KamLAND-Zen和挂式结果的结合产生了一个极限年(120 - 250伏,这取决于NME) (2),基本上排除了长期声称Klapdor-Kleingrothaus和合作者的27]。

2.3.3。下:一个预览

下一个实验将搜索在^136年Xe使用高压氙气(HPXe)时间投影室(TPC)包含100公斤纯度气体,并叫next - 100。这样一个探测器提供来无中微子双β-衰变的搜索的主要优点如下。(我)优秀的能量分辨率,内在限制在约0.3%的半最大值宽度和0.5 - -0.7%证明了接下来的原型,在章节中详细解释5。1和5。2。供参考,最好的能量分辨率是通过锗实验,如惊惶和MAJORANA或测辐射热计,如库雷,典型的决议的范围在0.2%的半最大值宽度。下- 100目标分辨率是一个因素两个比这些,但一个因素8(20)优于挂式(KamLAND-Zen),其他的氙实验(1,2]。(2)跟踪能力提供一个强大的拓扑特征来区分信号(两个电子轨迹与一个共同的顶点)和背景(主要是单电子)。近年双β衰变事件在气态氙留下独特的拓扑签名:一个电离,长约30厘米10条,曲折的多次散射,和更大的能量口供两端(见图3)。圣哥达实验证明这种签名的有效性区分信号从背景。拓扑签名结果预期背景的顺序数/(凯文·公斤·y),改善挂式和KamLAND-Zen两倍(1,2)和锗热量计,碲测辐射热计五到十倍。(3)一个完全活跃和均匀的探测器。从三维重建是可能的,事件可以位于一个置信区域远离表面,产生的背景。这是一个常见的特性与其他两个氙实验。(iv)可伸缩性更大的技术质量,由于这一事实:(a)氙是惰性气体,适合检测和没有内在放射性;(b)丰富氙(xe - 136)可以在适度有限的采购成本,例如10低于基线的一个因素^76年通用电气的选择。这也是一个常见的特性与其他两个氙实验。

2.4。发现潜在的氙实验

最近,在95%置信上限水平三个光之和中微子质量报道了普朗克的测量宇宙微波背景(CMB) (3,4]: 在哪里是三种中微子的质量之和,,。

图4显示了这种测量的影响,结合当前限制从KamLAND-Zen和精彩。可以看到,目前的敏感性明显不足以探索逆层次结构,而普朗克数据排除大部分的所谓退化的层次结构。由此可见,下一代的实验的目标必须是有效的中微子质量非常敏感。特别是,我们将显示20兆电子伏的敏感性的范围内是ton-scale HPXe探测器。然而,幸运的是,可以发现,如果附近是,100伏。

为了获得下一个技术的潜在的感觉比较是有趣的实验参数的三个氙实验,收集表1。200年外参数和KamLAND-Zen合作发表的(1,2]。分辨率下对应于最保守的结果得到下一个原型(29日),和预测的背景速度和效率来自完整的背景模型的协作23,30.),假设一个保守的背景水平的主要来源背景(能量位面的pmt)。注意,所有实验的背景速度很好。HPXe技术提供了效率低于其他两个但更好的分辨率。

图5显示了预期性能的三个实验中,假设表中描述的参数1和中央的核矩阵元素中描述(14]。实验敏感性计算后(14)和只包含统计波动。包括一个完整的分析系统误差需要更深层次的知识的所有三个实验。我们考虑一个运行的下一个五年(2015 - 2020)和八年的长期外200和KamLAND-Zen (2012 - 2020)。每年10%的总空载实验。随之而来的,所有三个实验将有机会的发现的是,100伏。的实验都是基于不同的实验技术,不同的系统误差,使他们同时运行更具吸引力。的结合三个灵敏度可以达到大约65伏(28]。注意,尽管起步较晚,但接下来的敏感性可以超过其他的氙实验。

2.5。对吨规模

覆盖整个范围所允许的逆层次结构,一个需要群众一吨同位素的范围。氙实验有可能部署这些大质量(例如,丰富^76年通用电气是10倍^136年Xe)。这一特点,加上这一事实可以建立大型xenon-based tpc或热量计,使他们的首选next-to-next代实验。

表2总结一个投影28实验参数的三种技术,而图6显示了氙的预期性能实验假设表中描述的参数2,总接触10吨的一年。最大风险敞口,XeSci探测器到达~ 32兆电子伏的画,虽然HPXe检测器达到25兆电子伏。为进一步的细节,我们参考读者28]。

总结,下一个实验有一个巨大的兴趣搜索不仅由于其物理潜力大,能够发现中微子是马约喇纳粒子而是也作为跳板next-to-next代非常具有挑战性,ton-based实验。

3所示。下一个探测器

3.1。柔软的概念

氙作为检测介质,提供了闪烁和电离作为主要的信号。实现最优能量分辨率,电离信号放大下使用致发光(EL)。电致发光光能量提供了一个精确的测量和跟踪。在[想法介绍后31日]和进一步发展我们的CDR [32),美国商会将为跟踪和量热法分离检测系统。这就是所谓的软概念,如图7。检测过程如下。粒子相互作用的HPXe将它们的能量转移的媒介电离和激发。提示发射的激发能体现在VUV(~ 178海里)闪烁光(S1)。电离跟踪(积极的离子和自由电子)留下的粒子是由电场阻止重组(0.03 - -0.05 kV /厘米/ bar)。电离电子漂移对TPC阳极(对图的一部分),进入一个地区,由两个高度透明的网,一个更强烈的电场(3 kV /酒吧/厘米)。,进一步的VUV光子生成各向同性的致发光(S2)。因此,闪烁和电离产生光信号被探测到的pmt(稀疏的飞机能源的飞机)坐落在阴极的后面。检测的主要闪烁光构成了start-of-event,而EL光的检测提供了一种能量测量。电致发光灯提供了跟踪,因为它还检测到几毫米远离生产阳极平面,通过1毫米的数组²SiPMs,间隔1厘米(跟踪飞机)。

3.2。该装置

图8展示了未来的图- 100探测器,表明所有主要的子系统。这些都是如下。(我)压力容器用不锈钢建造和设计承受压力的15条,描述的部分3.2.1之上。铜层内部盾牌敏感体积起源于容器材料的辐射。(2)笼,电极网格、高压侵入者和灯管,节中描述3.2.2。(3)能量平面,由pmt安置在铜外壳,描述的部分3.2.3。(iv)跟踪飞机,由SiPMs排成骰子董事会(DBs),描述的部分3.2.4。(v)气体系统、加压,循环,净化气体,部分中描述3.2.5。(vi)前端电子学,放置在室之外,部分中描述3.2.6。(七)屏蔽和其他基础设施,描述的部分3.2.7。

下一个热带病研究和培训特别规划(23]给出了探测器的设计和组件的细节,我们简要总结。

3.2.1之上。压力容器

压力容器,如图9,由一个桶中央部分有两个相同的torispheric正面两端,他们主要的法兰螺栓连接在一起,是不锈钢做的,特别是低活性316钛合金。为了保护船舶的活动,我们引入了一个内铜盾,12厘米厚,radiopure铜做的。它会减弱辐射来自外部探测器(包括船舶和外部铅屏蔽)的100倍。

这艘船已经建立严格第八部分,ASME压力容器设计规范由总部公司MOVESA。它被设计几乎完全由协作、领导下的劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和学院运动的微粒(IFIC)在瓦伦西亚。IFIC负责监督制造,测试,认证,LSC和运输。

3.2.2。该领域笼

主体的笼子将高密度聚乙烯(HDPE)圆柱壳,2.5厘米厚,这将提供从船舶电气绝缘。三线网格单独的两个电场区域检测器。漂移区域,在阴极和致发光区域的第一网,是一个圆柱体直径107厘米和130厘米的长度。铜条连接到HDPE和背景较低电阻连接高电压,为了保持统一整个漂移区域。致发光区域长1.0厘米。

所有组件的笼子里与NEXT-DEMO探测器原型(见部分5。1)。第二- 100场笼和辅助系统将由我们美国的合作者。

3.2.3。飞机的能量

提供的能量测量下检测数组的光电倍增管,光致发光的能源的飞机坐落在透明的阴极(图10)。那些pmt还将记录闪烁光,表示事件的开始。

60滨松R11410-10光电倍增管(图11)覆盖32.5%的阴极面积构成平面的能量。这个3英寸光电管模型为radiopure特别发达,xenon-based探测器。R11410-10模型的量子效率在VUV约35%和30%在光谱的蓝色区域,和暗计数率2 - 3千赫(0.3光电子阈值)在室温下(33]。

耐压测试由制造商表明R11410-10不能承受压力高于6 atm。因此,下- 100年他们将密封成单独的耐压,铜外壳下的耦合蓝宝石窗口(见图12)。窗外,5毫米厚,与螺杆固定环和一个o形环密封外壳的前端。类似backcap铜印章外壳的背面。PMT必须光学耦合到窗口。特定的光学垫或凝胶用于这个目的仍在调查中。弹簧背面将光电倍增管对光学垫。因为紫外线是蓝宝石多吸收蓝光,蓝宝石窗口将涂有波长切换材料,为了改变紫外线氙闪烁的蓝色波长。

这些PMT模块都是常见的承板安装,连接到一个内部的压力容器法兰头(见图13)。附件都是通过个人的耐压,连接下的油管管道中心流形和真空维持在远低于帕兴氏小最低,避免火花和辉光放电PMT别针。PMT电缆路由通过管道和中央歧管压力容器的直通的喷嘴。

能源的设计飞机已经在IFIC之间共享,在UPV(大学为瓦伦西亚),和劳伦斯组。pmt已经购买和测试,目前正在筛查LSC放射性。原型建造PMT的围墙和一个完整的原型能源飞机包括14 PMT正在建设中,将在2013年LSC测试。完整的能源飞机将在2014年被安装在探测器。

3.2.4。跟踪飞机

跟踪函数下- 100年将由一个平面硅光电倍增管作为传感器像素和位于透明EL差距。选择SiPMs s10362 - 11 - 050 - p模型由滨松。这个设备有一个活跃的面积1毫米²400(50敏感细胞大小)和光子探测效率高的蓝色区域(约在440 nm ~ 50%)。出于这个原因,他们需要涂上相同的波长移装置用于windows的铜罐。SiPMs非常符合成本效益及其放射性很低,鉴于其组成(主要是硅)和非常小的质量。

SiPMs将安装在骰子董事会(DBs),相同的原型NEXT-DEMO(见部分5。1)。SiPMs也将一种改进的电子版本的演示探测器的电子产品。像NEXT-DEMO,所有的电子将外室。下- 100年大量的渠道,另一方面,需要大型的设计和制造定制的引线提取信号。

为了覆盖整个领域笼截面与传感器之间的间距为1厘米,我们需要~ 8000 SiPMs。星展银行的设计和前端电子已经在IFIC UPV。DBs在NEXT-DEMO充分测试,准备生产。

一个原型的LCFT在2013年将受到考验。完整的跟踪飞机可以安装在2014。

3.2.5。气体系统

气体系统,如图14必须能够加压循环,净化,和减压下- 100和氙探测器,氩,可能与微不足道的损失和不损害其他气体探测器。特别是,任何重大损失的概率非常昂贵的丰富氙(EXe)必须最小化。一个需求列表,在近似减少订单的重要性,认为在设计如下所示。(1)从真空密封容器,15条(绝对)。(2)减压容器回收系统,关闭15栏1栏(绝对),在10秒最大的错,。(3)减压容器回收系统,关闭15栏1栏(绝对),在正常运行1小时最大。(4)缓解压力(发泄闭式回收系统)发生火灾或其他紧急情况。(5)允许的最大泄漏EXe通过海豹(总)100克/年。(6)允许的最大损失EXe 10 g /年的气氛。(7)适应范围的气体,包括Ar和N₂。(8)所有循环气体通过检测器以最大的速度每分钟200标准升(slpm)轴流模式。(9)不断净化EXe。纯度要求:< 1磅的O₂、有限公司₂N₂,CH₄。

气体的最脆弱的组件系统是循环压缩机,必须有足够的冗余故障和泄漏的概率降到最低。选择的压缩机是由金属密封在所有湿表面。气体通过移动系统的三重不锈钢隔膜。每个膜片之间有一个嗅探器端口监控气体泄漏。在发生泄漏,可以启动自动紧急停车。

气系统将配备室温和加热getter的节约纯气体去除电负性杂质(O₂H₂从氙O等)。

自动回收系统所需的昂贵的EXe也将撤离美国商会在紧急情况下的状态。35米³膨胀箱将被放置在实验室快速减少系统中的气体压力。此外,控制气体撤离,我们将低温泵EXe液氮冷却容器。

天然气系统设计作为IFIC和萨拉戈萨大学之间的合作,利用经验与我们的原型。所需的基本的气体系统的初始操作下- 100设备已经购买并运送到LSC,但丰富的系统必须在2014年升级氙2015年运行。

3.2.6。电子产品

下一个- 100数据采集系统(数据收集),如图15,遵循模块化的体系结构可伸缩的读出系统(SRS),已经在我们的CDR(描述32]。在层次结构的顶部,PC农场运行采集软件,日期、接收事件的数据采集模块通过千兆以太网链接。电脑日期(本地数据集中器、最不发达国家)将传入的片段组装成子事件,它被发送到一个或多个额外的电脑(全局数据集中器、环球数码创意)。环球数码创意构建完整的事件并将它们存储在磁盘上进行离线分析。

采集模块使用前端集中器(FEC)卡,作为之间的通用接口数据收集系统和特定于应用程序的前端模块。联邦选举委员会模块接口不同的前端电子通过使用适当的插件卡。联邦选举委员会卡和整体SRS概念开发框架内的CERN RD-51协作(34]。三个不同的选举委员会的插件卡用于下一个- 100(能量平面读出数字化、触发生成和跟踪平面读出数字化)。

电子能量的飞机。前端电子pmt的下- 100,如图16,将非常类似于NEXT-DEMO和NEXT-DBDM原型系统开发。链中的第一步是形状和过滤速度信号产生的pmt(少于5 ns宽)匹配数字转换器和消除高频噪声。一个积分器实现通过简单地增加一个电容和一个电阻并联机床的基础。负责集成电容分流阳极拉伸脉冲,降低相应的主信号峰值电压。

我们的设计使用了一个基于全微分放大器放大阶段,低噪声特性(),并提供足够的增益补偿衰减在接下来的阶段,基于无源RC滤波器与削减800 kHz的频率。这个过滤产生足够的信号延伸,允许获得许多样品每单光电子40 MHz,在第一阶段的数据收集。

电子跟踪飞机。跟踪飞机~ 8000个频道。另一方面,SiPMs是简化了大型的电子获得这些设备。我们的设计包括一个非常简单的,前端板(图64 -频道17)。每个董事会需要输入一个DB(传播通过low-crosstalk聚酰亚胺薄膜扁平电缆),包括模拟阶段,ADC转换器,电压调节器,和FPGA处理格式,缓冲区,采集和传输数据。LVDS时钟和触发输入也是必要的。共有110名董事会是必需的。董事会的架构描述的是我们的热带病研究和培训特别规划23]。

电子产品的设计是一个合作UPV和劳伦斯。这将是一个进化的电子目前NEXT-DEMO操作。采集UPV的责任,它也将成为一个改进版本的演示数据收集。

3.2.7。屏蔽和其他基础设施

保护下- 100从外部通量高能伽马射线的一个相对简单的城堡,如图18选择,主要是由于它的简单性和成本效益。铅墙厚度达20厘米,是由层与钢结构交错铅砖举行。铅砖有标准尺寸(200×100×50毫米³),要求,铀和钍的活动低于0.4兆贝可/公斤。

的城堡是由两半安装在一个轮子移动系统on rails的帮助下一个电动引擎。可移动的城堡开放和关闭位置。前者是用于压力容器的安装和服务;后者用于正常操作位置。锁系统修复城堡到地板上的两个配置,以避免意外的位移。

铅城堡的设计已经由赫罗纳大学合作UPV IFIC。设计完成和盾牌准备建造等待资金的可用性。

所需的基础设施建设的未来- 100实验(工作平台、地震基座)目前正在进行中。他们将完全安装在LSC到2013年底。

图19显示图像的大厅,下- 100未来的位置。pool-like结构的目的是成为一个流域水库氙或argon-a液氩实验,ArDM,将相邻的下一个- 100气体在发生灾难性泄漏。因此,为了安全的原因,所有的实验都必须杜绝任何工作人员的水平以下的流域水库。

高架平台已经建立工作。它的目的是统一加载1500公斤/米²和一个集中负荷200公斤/米²。它是固定在大厅地面和墙壁。平台地砖是由镀锌钢和标准尺寸最小化成本。

由于轻微的地震活动LSC所在庇里牛斯山的一部分,地震研究进行了一个全面的项目风险分析的一部分。因此,一个抗震的结构,将持有压力容器和屏蔽设计。这种结构将被直接固定在地上,独立的工作平台,让地震位移在发生地震。

4所示。下一个背景模型

下一个背景模型描述探测器中放射性污染物的来源和他们的活动。它允许我们通过详细的模拟,预测的背景事件可以被误判为信号。

4.1。来源的背景

以下4.4.1。放射性污染物在探测器材料

衰减后的^214年Bi,女儿同位素,^214年阿宝,释放出大量的退激γ兆电子伏能量高于2.3。γ线2447 keV强度1.57%,非常接近的价值^136年Xe。γ线上面低强度和他们的贡献可以忽略不计。

的女儿^208年Tl,^208年Pb,发出去激发光子2614 keV 100%的强度。γ是2382 keV的康普顿边缘,远低于。然而,分散γ可以互动和生产其他电子轨道接近最初的康普顿电子所以他们重构为一个单一的对象在能源投资回报率下降。光电电子生产以上ROI但可以通过轫致辐射失去能量和填充窗口,以防发射的光子逃逸的探测器。对产生事件不能产生单向的事件的ROI。

4.1.2。氡

氡是一种危险的背景由于放射性同位素源(半衰期为3.8 d)^238年U链和^220年Rn(半衰期为55)^232年链。作为一种气体,它扩散到空气中,可以进入检测器。^214年Bi是一个衰变的产物^222年Rn和^208年Tl的衰变产物^220年Rn。在这两种情况下,氡经历一个α衰变为钋,产生一个带正电荷的离子飘向阴极电场的TPC。因此,^214年Bi和^208年Tl污染物可以被认为是沉积在阴极表面。可以消除氡的TPC气体混合物通过再循环通过适当的过滤器。为了抑制氡体积定义的屏蔽,可以使用连续流动氮之间占据了整个空间的内袋TPC和屏蔽。氡控制是一个主要的任务实验,将成为未来最重要的- 100。

4.1.3。宇宙射线和实验室岩石背景

宇宙粒子也能影响我们的实验产生高能光子或激活的材料。这就是为什么双β衰变实验是进行地下深处。在这些深度,μ介子是唯一幸存的宇宙射线粒子,但与岩石的相互作用产生中子和电磁淋浴。此外,实验室的岩石本身就是一个相当激烈的来源^208年Tl和^214年Bi背景以及中子。

源自LSC光子通量的墙壁(参见我们的热带病研究和培训特别规划和引用其中[23])(我) 从^238年U链,(2) 从^232年链。

这些测量包括所有的排放在每个链。相对应的流量线2614.5 keV和相对应的流量行1764.5 keV也测量(从后者可以推断出相对应的流量2448 keV线)。结果是(我) 从^208年Tl线,(2) 从^214年在2448 keV Bi线。

上述背景由屏蔽大大减少。此外,考虑到拓扑的能力下,残余μ介子和中子背景为我们的实验似乎并不重要。

4.2。下- 100放射性的预算

信息的放射性纯度材料将用于建设的未来- 100已经被编译,也执行特定的测量和研究文献的数据材料没有筛选。详细描述了在35]。简要总结结果呈现的主要原料如表所示3。

4.3。预期的背景

唯一的相关背景下发出的光子^208年Tl线(2614.5 keV)^214年Bi (2448 keV行)。这些坐很近和光子之间的相互作用在气可以伪造的信号。下- 100有一个俄罗斯的结构(俄罗斯嵌套玩偶)。源自LSCγ墙壁的通量是大幅减毒的城堡,剩余磁通,一起,发出的城堡本身的材料压力容器,由内部进一步减铜屏蔽。然后需要添加一个“内在元素”的贡献在未来:笼,能源飞机,跟踪飞机的元素不是屏蔽的ICS。

详细Geant4 [37)模拟未来- 100探测器是为了计算探测器的背景抑制因子可实现的。模拟事件,重建后,接受了如果候选人(一)他们重建作为一个跟踪局限在活跃的体积;(b)精力在感兴趣的区域,定义为应用在;(c)空间模式的能量沉积的跟踪(斑点两端)。

一起实现背景抑制因子信号的选择效率如表所示4。可以看到,削减抑制放射性背景超过7个数量级。这导致估计背景的速度数/(凯文·公斤·y)。

5。下一个EL原型

证明创新的概念下一个设计我们已经建立了两个EL原型。(我)NEXT-DEMO在IFIC操作。这是一个大型的原型,可以容纳大量的类似圣哥达实验。构思是全面测试和演示EL技术。(2)NEXT-DBDM在劳伦斯、操作。这是我们第一次的原型,并演示了一个极好的分辨率,在假设0.5%的半最大值宽度。

自2011年以来两个原型全面运作,我们最初的结果和操作经验最近发表(29日,38,39]。

5.1。NEXT-DEMO

在本节中,我们详细描述NEXT-DEMO示威者和我们的第一个结果。原型的主要目的是演示探测器的概念用于下一个- 100,更具体地说(1)具备良好的能量分辨率(比在1%的半最大值宽度)在一个大系统,完整的空间修正,(2)演示跟踪重建和SiPMs的性能。(3)为了测试长漂移长度和高电压,(4)在大量了解气体再循环,包括操作的稳定性和鲁棒性泄漏,(5)了解光探测器的集合,使用和不使用波长移相器。

装置,如图20.,是一个高压氙气电致发光TPC实现软的概念。其活跃的体积是30厘米长。5毫米厚的六边形截面由聚四氟乙烯管插入到活跃的体积来提高光收集。TPC安置在一个不锈钢压力容器、60厘米长,直径30厘米,能承受15条。自然氙循环在一个封闭的循环的容器和一个系统净化过滤器。探测器不是radiopure并不是自然放射性屏蔽。这是安装在一个手术室(见图21在IFIC),西班牙的瓦伦西亚。

时间投影室本身如图22。三个金属线grids-called阴极,门,和阳极——两个活动区域:30厘米长漂移区域阴极和门之间,长0.5厘米埃尔地区门和阳极之间。电场是由提供一个很大的负电压到阴极,然后降低使用一系列的金属环直径30厘米5毫米的间隔,通过5 GΩ连接电阻。门在负电压,这样一个温和的电域一般2.5到3 是门和阳极之间创建的,这是在地面上。一个缓冲区域阴极和能量之间的10厘米飞机保护后者从高电压降低安全接地电位。

高电压提供给阴极和栅极通过特制的高压引线(HVFT),如图23,建立压不锈钢杆Tefzel(塑料绝缘强度高)管,然后夹使用塑料套管CF法兰。他们已经测试了高真空和100千伏不泄漏或引发。

一组六个板制成的聚四氟乙烯(PTFE)安装在形成一个电场笼子里光管六边形截面(见图24)和一个边心距8厘米的长度。聚四氟乙烯是一个很好的反射器在一个广泛的波长(40),从而提高探测器的光收集效率。在第二个阶段,面板与四苯基丁二烯(图则)——真空蒸发变化发出的紫外线氙蓝色(~ 430海里)——来研究提高反射率,光探测。图24 (b)显示了光管涂层后紫外灯照射的时候。

6禁止制造PEEK,低出气塑料、电场笼和飞机的能量。整个结构是连接到一个结束描述用螺丝和船内引入一个铁路系统的帮助。所有的TPC结构和HVFT被德州农工大学设计和建造。

飞机(参见图的能量25)配备19滨松R7378A光电倍增管。这些都是1英寸,耐压(20条)pmt接受量子效率(~ 15%)在VUV地区图则波长的和更高的效率(~ 25%)。由此产生的光电阴极的报道能源飞机约为39%。pmt插入一个聚四氟乙烯持有人在六角模式。一个网格,被称为盾和类似于阴极导线间距为0.5厘米,是螺纹的持有者并设置~ 500 V。如上所述,这从高压集中保护pmt阴极电场,并确保在10厘米缓冲地区低于阈值。

NEXT-DEMO实施跟踪飞机的初始操作由19耐压光电倍增管,与那些用于能源的飞机,但在较低的收益。插装pmt的跟踪飞机在此期间简化初始调试,调试和运行探测器由于小数量的读出通道(pmt 19日与256年SiPMs目前操作在跟踪平面)和他们的内在敏感性氙发出的紫外线。2012年10月以来,NEXT-DEMO操作了一个完整的跟踪飞机由SiPMs,如图26。它由四个板,包含SiPMs每间隔1厘米。其更高的粒度允许一个更好的位置重建平面正交漂移轴,因此增加了基准腔的体积。SiPMs VUV光线不敏感,但他们是蓝色的光,因此他们必须涂上图则。图则的各向同性的光发射,一起改善聚四氟乙烯蓝色波长的反射率的范围,产生一个总体增加了收集到的光线。

图27显示511 keV伽马射线的能谱测量²²Na在基准NEXT-DEMO的体积。高斯适合光电峰表明1.82%的能量分辨率应用。推断的结果的价值^136年Xe (2458 keV)假设,依赖,我们获得一个解决0.83%的半最大值宽度比在1%的下一个目标分辨率的半最大值宽度。演示设备措施电子在一个大型基准体积,因此这个结果可以安全地外推到下一个- 100。我们相信0.5%的最终决议应用,如发现DBDM(参见下一节),最终可以达到。

执行事件的第一个近似拓扑重建细分在时间片(维度)和重建一个每片。进一步详细分析每片被允许多个口供的重建研究。分析,一片的宽度4年代,因为它给了足够的信息用于实现一个可靠的跟踪飞机重建也相当于一个电子所需要的时间穿过EL差距。的一片的位置使用的平均位置重建SiPMs高二级闪烁信号,记录加权集成电荷收集。与这个职位相关的能源是记录在阴极同样的时间间隔,这样事件可以被研究。能量和位置信息被用来计算一个三次样条个人点之间为了获得更精细的描述路径(见图28)。

第一个重建事件(图29日)展示未来技术的拓扑功能。重建的电子显示随机走进清晰可见的气体端点的轨迹与更高的能量沉积(blob)。另一方面,重建一个μ介子跟踪显示一条直线通过检测器相当统一的能量沉积。

NEXT-DEMO已成功运行两年来,证明完美的高压操作和一个伟大的稳定与火花。气体系统,完成热getter,已证明是密封(每天少于0.1%泄漏),并允许一个连续循环,净化气体,导致测量电子的一生几十毫秒。光收集效率已经彻底理解,通过研究主要和电致发光闪烁信号。图则涂层在聚四氟乙烯反射产生的漂移区域增加EL光的三倍(29日),从而提高光的统计数据。数据产生的α源允许研究主要闪烁信号沿整个长度漂移,导致更好的理解光反射和损失在我们的探测器,通过蒙特卡罗模拟的支持39]。

总结,NEXT-DEMO探测器在IFIC自2011年以来连续操作。当前配置,SiPM跟踪飞机,PMT能源飞机,和一个光管涂上图则,展示了设计选择未来- 100探测器,练习所有的技术解决方案,并展示了优秀的能量分辨率和电子重建。进一步的工作正在进展中分析事件的数百万室了。

5.2。NEXT-DBDM

的基本构建块NEXT-DBDM氙电致发光TPC数据所示30.和31日:不锈钢压力容器、气体系统,红晕终于散去的时候,净化10 - 15 atm的氙,不锈钢丝网格,建立高压等势面边界的漂移和EL地区,实地笼子与六角横截面在这些地区建立统一的电场,一种六角形的图案排列的一系列压力容器内的pmt 19 VUV敏感,和一个关联的读出电子和数据采集系统。

NEXT-DBDM探测器PMT数组和埃尔地区,这都是六角形的地区两端之间的12.4厘米,13.5厘米彼此远离。因此,点状EL地区生产的各向同性的光照亮了PMT数组PMT-to-PMT变异。这个几何配置也使得照明模式和总光收集只有非常温和的依赖光原点的位置在埃尔地区。TPC壁扩散反射率的增加进一步这组光均匀性。结果,很少依赖设备提供良好的能量测量的位置口供。另一方面,没有一个光传感器阵列附近的埃尔地区精确跟踪信息是不可用的。不过,重建实现允许fiducialization脉冲位置选择事件/脉冲内区域的TPC均匀的光收集效率。

TPC的字段配置建立了5个不锈钢网格开放区域为88%位置(阴极缓冲或PMT网)0.5厘米,5.5厘米(阴极或漂移开始网),(字段转换或EL-start网)13.5厘米,14.0厘米(阳极或EL-end网),19.0厘米(阳极缓冲或地面网)PMT的窗户。致发光发生13.5到14.0厘米。支持网格并保持紧张的不锈钢框架由两部分和拉紧螺丝周长。TPC的一面墙壁,18个人的矩形总成宽7.1厘米(5和8厘米长)连接相邻网格(大约0.5厘米EL差距除外),服务的双重目的光笼笼和字段。每侧墙装配由0.6厘米厚聚四氟乙烯板,陶瓷面板的支持。面临的聚四氟乙烯板裸露在活跃的体积和铜平行条纹网状飞机每隔0.6厘米在另一边。裸露的聚四氟乙烯作为VUV光反射器。相邻条纹与100 MΩ铜电阻年级潜在和产生一个均匀的电场。陶瓷支撑板连接,机械和电的外周边网状支撑框架和第一个和最后一个铜条纹对应的聚四氟乙烯板。高压连接建立TPC字段(疱疹)是由直接网格框架。

在图32662 keV能量谱全能源地区获得10点自动取款机。能量分辨率得到1.1%的半最大值宽度在0.6厘米半径中部地区重建事件。一个小drift-time依赖修正附件与损失女士被应用。氙x射线逃逸峰清晰可见,~ 30 keV低于主峰。频谱在15 atm决议获得1%的半最大值宽度。这项决议在假设0.52%的半最大值宽度兆电子伏,如果扩展遵循统计依赖和任何其他系统的影响占主导地位。

为了研究EL TPC能量分辨率较低的能量,全部能源662 keV事件有一个分离的x射线脉冲重建1.5厘米半径中部地区。事件只有x射线沉积很难触发,因为低能量。然而,x射线口供也存在于事件与光电子完全包含30 keV disexcitation x射线分开。图33显示了能谱获得10点atm决议以5%的半最大值宽度。

图34总结我们的测量和理解的EL TPC能量分辨率。较低的对角线代表了泊松统计测量的限制的一小部分光子产生的EL增益而上对角线包括退化(大部分来自PMT寄生脉冲)由于PMT的回应。圆数据点显示能源决议获得了在不同光照强度下运行专用的领导每脉冲。LED点按照预期决议在二十年的研究范围。两水平线代表氙气名义固有分辨率为30和662 keV,分别和两个曲线是预期EL TPC决议来自内在的限制和光子的测量。662 keV数据(广场)和氙的x射线数据(三角形)用各种EL收益遵循预期解决的函数形式,但更大的可能是由于20 - 30%响应不均匀性。详细跟踪成像从附近的一个密集的光电传感器阵列EL地区,比如最近委托NEXT-DBDM原型,将使应用程序的位置修正进一步提高测量的能量。

6。结论

本文的下一个项目的现状和未来前景,特别是未来在描述了LSC - 100实验。接下来有一个很大的发现潜力和能力提供了一种技术,可以推断,在一个竞争非常激烈的成本,吨规模。

合作开发了高压室的先进技术,特别是NEXT-DEMO是第一次大规模HPXe使用EL TPC技术。的创新包括使用SiPMs跟踪飞机,一种技术,五年前才处于起步阶段。

合作发表了结果,说明了物理情况和演示EL技术的良好的性能。很好的能量分辨率,应用比1%,测量和电子的拓扑特征已经明确。

下一个- 100探测器目前正在建设的初始阶段,预计2015年数据。科学的机会是非凡的和科学的成本影响比率是相对温和的。除了导致当前的科学发展,未来可能成为未来的跳板,大规模的实验,终于可以证明埃托雷•马约喇纳的见解是正确的。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由以下机构和机构:Ministerio de隐藏y Competitividad西班牙在2010年授予CONSOLIDER-Ingenio csd2008 - 0037(杯),fpa2009 - 13697 c04 - 04和fis2012 - 37947 c04;科学主任办公室,办公室的基本能源科学美国能源部号合同下。DE-AC02-05CH11231;和葡萄牙FCT费德通过项目竞争,项目PTDC FIS / 103860/2008和PTDC / FIS / 112272/2009。j·雷纳(LBNL)承认美国能源部国家核安全管理局的支持管理科学号合同下研究生奖学金。DE-FC52-08NA28752。j。j Gomez-Cadenas是一个辐条的人。