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Low energy calibration, continuous monitoring, and background studies for the NEXT-White detector at the LSC

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22 - Física
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Low energy calibration, continuous monitoring, and background studies for the NEXT-White detector at the LSC

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dc.contributor.advisor	Hernando Morata, José Ángel
dc.contributor.advisor	Sorel, Michel
dc.contributor.author	Palmeiro Pazos, Brais
dc.contributor.other	Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear	es_ES
dc.date.accessioned	2022-05-23T07:41:39Z
dc.date.available	2022-05-24T04:45:06Z
dc.date.issued	2021	es_ES
dc.date.submitted	18-05-2022	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/82938
dc.description.abstract	Neutrinos have been a gateway to giant paradigm shifts in the understanding of Particle Physics and still have some role to play in the decades to come. The recent discoveries of the neutrino flavor oscillation imply the rupture of one of the Standard Model of Particle Physics's main assumptions: neutrinos are no longer massless particles. Their mass opens the question of its origin, whether they follow the precepts for the rest of the fermions (i.e., they are Dirac fermions) or obey the Majorana mechanism (i.e., they are Majorana fermions). The potential Majorana nature of neutrinos could shed light on open questions in the field, such as the relatively low neutrino mass scale and the matter-antimatter asymmetry observed in the universe today. Among all the possible ways to discern neutrinos' true nature, neutrinoless double beta decay is currently the most promising and developed technique. Double beta decay with neutrino emission is a standard process allowed within the SM and has been observed for several nuclei. Notwithstanding, the neutrinoless mode is only possible if neutrinos present a Majorana nature. That motivated a profound activity since it was first proposed in 1939 that has gradually pushed the limits for the process in several different R\&D approaches. The Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT) is a recent competitor in the pursuit of the neutrinoless double beta decay, but with really interesting features to contest. The NEXT approach is based on a high-pressure gas-Xe136 time projection chamber (TPC). The experiment proposes a novel technique for the detection, the SOFT concept, that consists of the separation of the energy and spatial information in two independent measurement planes. The project is founded on a solid R&D program that has already proven some of the relevant challenges concerning the proof of concept, the excellent energy resolution, the background model, and the topological potentials. The major part of the present work is devoted to the NEXT-White detector, placed in the Laboratorio Subterráneo de Canfranc. The main goals of the apparatus are the validation of the concept in a large-scale detector, the assessment of the background model, and the measurement of the neutrinoless mode half-life. The monitoring uses Kr83m internal transition electrons as a tool to performing not only the geometric and lifetime corrections but also the continuous screening of the NEXT-White chamber conditions during 2017-2021. The chamber has shown outstanding stability and smooth conditions during most of the operations. Furthermore, the energy maps have been shown to be almost invariant throughout all the detector functioning. On the contrary, lifetime maps seem to change in time, but the evolution appears to correlate with the gas flow patterns inside the active volume. Low-background operations of the NEXT-White detector are a central piece of the program's success. After a careful characterization of the alpha decays in the NEXT-White, the rate of \Rn{222} during the low radon activity data-taking has been measured, and the result has been used to assess the impact of this kind of background in the next phase of the collaboration, NEXT-100. When compared with the other sources of background, even under the most adverse conditions, the prediction for the radon-induced backgrounds remains one order of magnitude slower than the dominant source and possibly much more negligible. Regarding the radiogenic backgrounds, the measured rate is 0.84(2) mHz. A fit of the background model expectations provides some information regarding the contributions per isotope and their spatial distribution. The best-fit background model has been used to estimate the sensitivity of the two neutrino mode measurement, which is found to be between 3.5(6) and 5.1(4) sigmas after one year of operations, depending on the extrapolation, in agreement with the reported value. In addition, the background model has been validated even on the narrow energy region of interest considered for the neutrinoless double beta searches.	en_US
dc.description.abstract	Los neutrinos han sido una puerta a grandes cambios en los paradigmas del entendimiento de la naturaleza, y aún tienen preguntas que responder en las próximas décadas. El descubrimiento de la oscilación de neutrinos implica que éstos son partículas con masa. Esta masa abre la cuestión de su origen, es decir, si son fermiones de Dirac o de Majorana. La potencial naturaleza de Majorana puede arrojar luz en temas abiertos como la baja escala de masas de los neutrinos con respecto a los demás fermiones, así como la asimetría entre materia y antimateria observada actualmente en el universo. De entre todas las posibles formas de discernir la naturaleza última de los neutrinos, la más madura y desarrollada tecnológicamente es la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinos. Este hecho ha motivado una profunda actividad que ha ido gradualmente bajando los límites para el proceso en diferentes acercamientos de I+D. Es más, el campo se encuentra en la actualidad en los albores de la llegada de la nueva generación de experimentos, con el objetivo de conseguir una tonelada de masa. El experimento NEXT tiene el objetivo de encontrar dicha desintegración en el isótopo 136Xe. La propuesta de NEXT se basa en una TPC (cámara de proyección temporal, por sus siglas en inglés) óptica de gas a alta presión. A mayores, se ha desarrollado una nueva técnica de detección, llamada SOFT, que consiste en la separación de la medida de la energía y la topología de los eventos en dos planos independientes. El proyecto se fundamenta en una sólida trayectoria de I+D que ha probado algunos de los retos principales relacionados con la prueba del concepto, la excelente resolución en energía, el modelo de fondo y las posibilidades de reconstrucción topológica. La parte central del presente trabajo se encuadra en el detector NEXT-White, localizado en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Sus objetivos principales son la validación del concepto en un detector de grandes dimensiones, la comprobación del modelo de fondo y la medida de la vida media de la desintegración doble beta con neutrinos. El monitoreo del detector emplea la transición interna del 83mKr como medio para realizar las correcciones de geometría y lifetime, además de comprobar de forma continua las condiciones de la cámara durante su tiempo de operación (2017-2021). Ésta ha mostrado una excelente estabilidad y unas condiciones óptimas a lo largo de la toma de datos. A mayores, los mapas de energía son invariantes durante todo el funcionamiento del detector. Sin embargo, los mapas de lifetime sí muestran cierta variación en el tiempo, que ha sido correlacionada con cambios en el flujo del gas dentro de la cámara. Las operaciones de bajo fondo en NEXT-White son un aspecto fundamental del éxito del programa. Después de una detallada caracterización de las desintegraciones alfa en el detector, la tasa medida es usada para realizar una simulación del impacto del radón en la siguiente fase de la colaboración, NEXT-100. Los resultados sugieren que los fondos esperados por este tipo de fondo se encontrarían, al menos, un orden de magnitud por debajo de los esperados por la fuente dominante, y seguramente aún más despreciable. Con respecto a los fondos radiogénicos, la tasa medida resulta ser de 0.84(2) mHz. Un ajuste al modelo de fondo permite extraer más información acerca de los isótopos implicados y su distribución espacial. Con estos resultados, se ha estimado una significancia a la señal doble beta con neutrinos entre 3.5(6) y 5.1(4) sigmas tras un año de toma de datos, dependiendo de la extrapolación, en consonancia con el valor de significancia medido. Además, el modelo de fondo ha sido validado incluso en el estrecho rango de energía de la desintegración doble beta sin neutrinos.	es_ES
dc.format.extent	300 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	desintegración doble beta	es_ES
dc.subject	física de neutrinos	es_ES
dc.subject	experimentos de bajo fondo	es_ES
dc.subject	high-pressure gas tpc	es_ES
dc.title	Low energy calibration, continuous monitoring, and background studies for the NEXT-White detector at the LSC	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA::Física atómica y nuclear	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES