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Development of low-diffusion techniques for a high pressure xenon electroluminescent TPC

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22 - Física
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Development of low-diffusion techniques for a high pressure xenon electroluminescent TPC

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dc.contributor.advisor	López March, Neus
dc.contributor.advisor	Monrabal Capilla, Francesc
dc.contributor.author	Felkai, Ryan
dc.contributor.other	Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear	es_ES
dc.date.accessioned	2022-07-04T08:18:44Z
dc.date.available	2022-08-04T04:45:05Z
dc.date.issued	2022	es_ES
dc.date.submitted	22-07-2022	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/83372
dc.description.abstract	El neutrino es una partícula que ha despertado un gran interés en las últimas décadas. Su existencia fue conjeturada por W. Pauli en 1930 para explicar el espectro continuo de la desintegración beta. El descubrimiento inequívoco de la oscilación de neutrinos en 1998 demostró que los neutrinos tienen una masa que no desaparece. Por lo tanto, es necesario acomodar un neutrino masivo en la teoría expandiendo el Modelo Estándar y eso se puede hacer suponiendo que el neutrino es una partícula de Majorana, que se define como un fermión que es su propia antipartícula. El mecanismo que da su masa a un neutrino Majorana podría explicar la leptogénesis y parte de la asimetría materia-antimateria observada en el universo primitivo. Otra implicación de un neutrino de Majorana es que se permiten procesos que violan el número de leptones en dos unidades. Esto tiene una importante implicación experimental: la desintegración doble beta tendría un modo en el que no emite neutrinos. Ver una desintegración doble beta inequívoca y sin neutrinos establecería definitivamente que el neutrino es una partícula de Majorana. La colaboración NEXT ha estado desarrollando cámaras de proyección de tiempo electroluminiscentes de alta presión (TPC) durante la última década para buscar la desintegración beta doble sin neutrinos en xenón-136 donde el volumen de detección está constituido por el isótopo objetivo. Un TPC es un tipo de detector que puede medir la energía depositada por una radiación primaria dentro de su volumen. El experimento NEXT utiliza un proceso de amplificación lineal, electroluminiscencia, con fluctuaciones insignificantes para explotar la buena resolución de energía intrínseca del gas xenón para maximizar la sensibilidad del experimento. Por otro lado, operar con un gas a alta presión extiende las huellas dejadas por los electrones emitidos por la doble desintegración beta a unos pocos centímetros, lo que convierte sus finas características topológicas en información accesible. Una clasificación de eventos basada en su topología permite realizar un paso adicional de rechazo de fondo. La propuesta de utilizar un gas noble, el helio, como mezcla del xenón es el tema central de la presente tesis. La transferencia de energía a través de colisiones elásticas entre electrones y átomos de helio es aproximadamente dos órdenes de magnitud más eficiente que entre electrones y átomos de xenón. Por otro lado, en la escala de energía de los electrones a la deriva, las colisiones elásticas de electrón-helio dominan a las de electrón-xenón. Esas consideraciones juntas apuntan a una reducción considerable de la difusión térmica en las mezclas de helio-xenón (HeXe). En general, la conclusión basada en simulaciones numéricas es que, a diferencia de las mezclas de gases moleculares, el helio reduce la difusión sin sacrificar la resolución energética del xenón puro. Una propuesta para proteger los fotomultiplicadores sensibles al helio de la atmósfera rica en helio consiste en utilizar una ventana cristalina junto con selladores metálicos. A la luz de las predicciones entusiastas sobre las mezclas de helio-xenón (HeXe), la colaboración NEXT construyó y encargó el prototipo NEXT-DEMO++. NEXT-DEMO++ está construido siguiendo el concepto SOFT (TPC de funciones optimizadas por separado). Una matriz de fotomultiplicadores (PMT) es responsable de detectar el centelleo primario y realizar la medición de energía al recolectar el centelleo secundario emitido desde la región de amplificación. Cabe destacar que el montaje final implementó la propuesta de diseño que garantiza un funcionamiento seguro de los fotomultiplicadores sensibles al helio para mezclas que contengan una cantidad importante de helio. Construido principalmente con el objetivo de probar mezclas HeXe, NEXT-DEMO++ también se pensó de manera más general como un banco de pruebas para NEXT-100. NEXT-DEMO++ ha probado diferentes configuraciones de sensores de seguimiento y probará diferentes etapas de amplificación posibles para NEXT-100. El detector logró operar con seguridad una mezcla de HeXe, pero reveló una fuente de dificultad con respecto a la separación de helio y xenón mediante criorrecuperación. Los datos se tomaron utilizando NEXT-DEMO++ para comparar una mezcla de HeXe al 15 % con una mezcla de xenón puro de referencia a 9,1 bares. Para caracterizar las dos mezclas se utilizó la misma fuente de calibración. Esta fuente radiactiva produce 83mKr que se distribuyen en el volumen activo antes de decaer, dejando deposiciones puntuales de energía que son especialmente útiles para caracterizar las propiedades de transporte de electrones. Debido a que los eventos de 83mKr liberan una deposición de energía monocromática, es posible medir la resolución de energía del detector a 41,56 keV con cada mezcla, ya que la energía es proporcional a la luz detectada. Después de la corrección de la señal para tener en cuenta la unión de electrones a las impurezas, la resolución de energía se mide en 7,42 +/- 0,04 % FWHM en HeXe y en 4,99 +/- 0,02 % FWHM en xenón puro. No obstante, se confirmó experimentalmente que la difusión transversal se reduce en un factor entre 2 y 3 en HeXe. Esto demuestra que el helio se puede usar como una mezcla de xenón para hacer una mezcla de baja difusión para un TPC electroluminiscente. El primer módulo a escala de toneladas que construirá la colaboración NEXT, NEXT-HD, se diseñará de manera que permita operar con una mezcla HeXe de baja difusión.	es_ES
dc.description.abstract	The neutrino is a particle that has seen a surge of interest in the past decades. Its existence was conjectured by W. Pauli in 1930 to explain the continuous spectrum of the beta decay. The unambiguous discovery of neutrino oscillation in 1998 proved that neutrinos have a non vanishing mass. It is therefore necessary to accommodate a massive neutrino in the theory by expanding the Standard Model and that can be done by assuming that the neutrino is a Majorana particle, which is defined as a fermion being its own antiparticle. The mechanism giving its mass to a Majorana neutrino could explain the leptogenesis and part of the matter-antimatter asymmetry observed in the early universe. Another implication of a Majorana neutrino is that processes violating the lepton number by two units become allowed. This has a major experimental implication: the double beta decay would have a mode in which it does not emit neutrinos. Seeing an unambiguous neutrinoless double beta decay would definitively establish that the neutrino is a Majorana particle. The NEXT collaboration has been developing high pressure electroluminescent Time Projection Chambers (TPCs) over the past decade to search for the neutrinoless double beta decay in xenon-136 where the detection volume is constituted of the target isotope. A TPC is a type of detector that can measure the energy deposited by a primary radiation within its volume. The NEXT experiment uses a linear amplification process, electroluminescence, with negligible fluctuations to exploit the good intrinsic energy resolution of the xenon gas in order to maximize the sensitivity of the experiment. On the other hand, operating on a gas at high pressure extends the tracks left by the electrons emitted by double beta decay to a few centimeters which turns their fine topological features into accessible information. A classification of events based on their topology allows performance of an extra step of background rejection. The proposal to use a noble gas, helium, as an admixture to xenon is the central subject of the present thesis. The energy transfer through elastic collisions between electrons and helium atoms is about two orders of magnitude more efficient than that between electrons and xenon atoms. On the other hand, at the energy scale of the drifting electrons, the elastic collisions of electron-helium dominate those of electron-xenon. Those considerations together hint for a sizeable reduction of the thermal diffusion in helium-xenon (HeXe) mixtures. Overall, the conclusion based on numerical simulations being that unlike molecular gas admixtures, helium lowers the diffusion without sacrificing the energy resolution of pure xenon. A proposal to protect the helium-sensitive photomultipliers from the helium-rich atmosphere consists of using a crystalline window along with metallic sealants. In light of the enthusing predictions concerning helium-xenon (HeXe) mixtures the NEXT collaboration built and commissioned the prototype NEXT-DEMO++. NEXT-DEMO++ is built following the SOFT (Separately-Optimized Functions TPC) concept. An array of photomultipliers (PMTs) is responsible for detecting the primary scintillation and performing the energy measurement by collecting the secondary scintillation emitted from the amplification region. The final assembly notably implemented the design proposal that ensures a safe operation of the helium-sensitive photomultipliers for mixtures containing a sizeable amount of helium. Built primarily with the goal to test HeXe mixtures, NEXT-DEMO++ was also thought of more generally as a test bench for NEXT-100. NEXT-DEMO++ has tested different tracking sensor configurations and will test different possible amplification stages for NEXT-100. The detector was successful at operating safely a HeXe mixture but revealed a source of difficulty regarding the separation of helium and xenon by cryo-recovery. Data were taken using NEXT-DEMO++ to compare a 15% HeXe mixture with a reference pure xenon mixture at 9.1 bar. In order to characterize the two mixtures, the same calibration source was used. This radioactive source produces 83mKr that are distributed in the active volume before decaying, leaving point-like energy depositions which are especially useful to characterize the electron transport properties. Because the 83mKr events release a monochromatic energy deposition, it is possible to measure the energy resolution of the detector at 41.56 keV with each mixture as the energy is proportional to the light detected. After correction of the signal to account for the electron attachment to impurities, the energy resolution is measured at 7.42 +/- 0.04 % FWHM in HeXe and at 4.99 +/- 0.02 % FWHM in pure xenon. The transverse diffusion was nonetheless confirmed experimentally to be reduced by a factor between 2 and 3 in HeXe. This demonstrates that helium can be used as an admixture to xenon to make a low-diffusion mixture for an electroluminescent TPC. The first tonne-scale module that will be built by the NEXT collaboration, NEXT-HD, will be designed in a way that will allow it to be operated with a low-diffusion HeXe mixture.	en_US
dc.format.extent	224 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	neutrinoless double beta decay	es_ES
dc.subject	gaseous detector	es_ES
dc.subject	rare events	es_ES
dc.title	Development of low-diffusion techniques for a high pressure xenon electroluminescent TPC	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA	es_ES
dc.embargo.terms	1 month	es_ES