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Measurement of the Xe-136 two-neutrino double beta decay half-life with the NEXT-White detector

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22 - Física
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Measurement of the Xe-136 two-neutrino double beta decay half-life with the NEXT-White detector

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dc.contributor.advisor	Novella Garijo, Pau
dc.contributor.advisor	Sorel, Michel
dc.contributor.author	Usón Andrés, Alberto
dc.contributor.other	Departament de Física Atòmica, Molecular i Nuclear	es_ES
dc.date.accessioned	2023-06-28T09:56:53Z
dc.date.available	2023-06-29T04:45:05Z
dc.date.issued	2023	es_ES
dc.date.submitted	26-06-2023	es_ES
dc.identifier.uri	https://hdl.handle.net/10550/88573
dc.description.abstract	Neutrinoless double beta decay stands as one of the most interesting physical processes towards the full understanding of neutrinos. The observation of such hypothetical rare decay not only would demonstrate the Majorana nature of neutrinos but also would violate the total lepton number conservation by two units and could give insight into their absolute mass scale. In case neutrinos happen to be their own antiparticle (as a consequence of being Majorana), multiple open questions, such as the unnaturally small mass scale or the matter-antimatter asymmetry in the current Universe, could be resolved. However, although several international collaborations are pursuing this endeavor with different $\beta\beta$ isotopes, the $0\nu \beta\beta$ decay has not been measured yet, with the best half-life limits having been set to 10${}^{26}$ yr (for ${}^{136}$Xe). The NEXT collaboration is one of the most promising experiments to perform this type of search, exploiting an electroluminescent time projection chamber filled with high-pressure xenon gas. The two building blocks of the experiment correspond to (i) an excellent energy resolution (<1\%FWHM) around the $Q_{\beta \beta}$, and (ii) a highly-defined 3D tracking reconstruction that boosts the signal-vs-background discrimination. The latest stage in the experiment comprised the NEXT-White detector, the first large-scale radiopure apparatus, filled with $\sim$5 kg of xenon at $\sim$10 bar and located at the Laboratorio Subterráneo de Canfranc. The expected goals of this stage were the demonstration of the NEXT technology at relatively large scales and a radiopure environment, the background model assessment, and, the ${}^{136}$Xe two-neutrino double beta decay measurement ultimately. During the data-taking operation of this detector, from 2016 to 2021, its energy resolution and tracking capabilities were proved successfully, the characterization of the backgrounds was performed, and the stability during the operating period was assessed on a daily basis by means of low-energy ${}^{83m}$Kr depositions. The main analysis presented here corresponds to the measurement of the ${}^{136}$Xe $2\nu\beta\beta$ half-life. This measurement was performed by exploiting the 271.6 days of data taken with xenon enriched (at $\sim$91\%) in the ${}^{136}$Xe isotope and the 208.9 days with ${}^{136}$Xe-depleted gas, taken under similar conditions. An exhaustive campaign was conducted to study the stability and compatibility of both samples, as well as to optimize the event selection cuts that allow enhancing the signal-over-background ratio. The radiogenic backgrounds were again characterized, to assess the NEXT background model and the stability of the background sources during all the data-taking period. Ultimately, the $2\nu\beta\beta$ half-life measurement was performed by means of two different techniques. The usual background-model-dependent fit yielded a half-life value of $2.14^{+0.80}_{-0.46} \times10^{21}~\textrm{años}$; while the so-called background-subtraction fit result corresponded to $2.34^{+0.85}_{-0.49}\times10^{21}~\textrm{años}$, with very small dependence on the background model. Thus, the two values are compatible between them, and in agreement also with the ${}^{136}$Xe $2\nu \beta\beta$ half-lives reported by other experiments. These results correspond to the main physics result obtained by the NEXT experiment so far and the demonstration of the feasibility to perform $0\nu \beta\beta$ searches with NEXT technology, as well as an impressive achievement considering the small amount of ${}^{136}$Xe mass deployed. Besides, the novel background-subtraction approach arises as a really interesting option in the current- and future-generation $0\nu \beta\beta$ searches, due to the small dependence on Monte Carlo assumptions.	en_US
dc.description.abstract	La desintegración doble beta sin neutrinos destaca como uno de los procesos físicos más interesantes para el entendimiento final de los neutrinos. La observación de esta hipotética y extremadamente poco frecuente, en caso de que se diera, desintegración no solo demostraría que los neutrinos son fermiones de Majorana, sino también que la conservación del número leptónico total puede violarse. Además, podría también aportar información acerca de la escala absoluta de masa de los neutrinos. De este modo, si neutrinos y antineutrinos resultan ser equivalentes (como consecuencia de ser partículas de Majorana), otras cuestiones, como la anormalmente pequeña escala de masas de los neutrinos o la asimetría materia-antimateria en el Universo, podrían ser resueltas. Sin embargo, a pesar de que diversas colaboraciones internacionales persiguen este difícil objetivo con diferentes isótopos $\beta\beta$, ninguno ha conseguido observarlo todavía. El mejor límite inferior impuesto hasta ahora en la vida media de este proceso corresponde a 10${}^{26}$ años, obtenido para el ${}^{136}$Xe. La colaboración NEXT se alza como uno de los experimentos con mayor proyección para realizar este tipo de búsquedas. El experimento se basa en una cámara de proyección temporal con electroluminiscencia, llena de xenón a altas presiones. Las dos piedras angulares del experimento corresponden a (i) una excelente resolución energética en torno al $Q_{\beta \beta}$ de la reacción (<1\%FWHM), así como (ii) una reconstrucción 3D de la topología de los eventos muy definida que aumenta la distinción entre señal y ruido de fondo. La última etapa dentro del experimento hasta ahora corresponde al detector NEXT-White, primer detector a gran escala y radiopuro, lleno con $\sim$5 kg de xenón a $\sim$10 bar en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Los objetivos esperados de este aparato fueron la demostración de la tecnología NEXT a relativamente grandes escalas y entornos radiopuros, la evaluación del modelo de fondo y, finalmente, la medida de la desintegración doble beta con neutrinos del ${}^{136}$Xe. Durante el periodo de toma de datos de este detector, desde 2016 a 2021, la resolución energética y capacidades topológicas fueron probadas exitosamente, se realizó la caracterización del fondo y la estabilidad durante todo este periodo fue comprobada, día a día, por medio de deposiciones de baja energía provenientes del ${}^{83m}$Kr. De este modo, el único objetivo que quedaba por realizar era la medida de la vida media del $2\nu\beta\beta$, la cual se presenta en este mismo trabajo. Este análisis se realizó utilizando los datos tomados durante 271.6 días con xenón enriquecido en ${}^{136}$Xe (en un $\sim$91\%) y los tomados durante 208.9 días con baja concentración de ${}^{136}$Xe ($\sim$3\%). Ambos períodos fueron tomados bajo las mismas condiciones y la estabilidad y compatibilidad de ambas muestras fue estudiada de manera exhaustiva. Además, los diferentes cortes que se aplican a los datos para las distintas selecciones de eventos fueron optimizados, y las eficiencias correspondientes estudiadas detenidamente. El ruido de fondo de origen radiogénico fue caracterizado para validar el modelo de fondo realizado por el experimento y comprobar la estabilidad del mismo durante todo el periodo de toma de datos. Finalmente, la vida media de la desintegración $2\nu\beta\beta$ fue medida por medio de dos técnicas independientes. Por un lado, con el típico ajuste basado en los modelos de fondos se obtuvo un valor de $2.14^{+0.80}_{-0.46} \times10^{21}~\textrm{años}$. Por otro lado, un nuevo ajuste basado en la sustracción de los fondos permitió obtener una vida media de $2.34^{+0.85}_{-0.49}\times10^{21}~\textrm{años}$ independiente del modelo de fondo de NEXT. Así pues, los dos valores son compatibles entre ellos, y también lo son con los medidos por otras colaboraciones. Estos valores se revelan no sólo como el resultado de física más importante obtenido hasta ahora por el experimento NEXT sino también como un logro completamente relevante debido a la poca cantidad de ${}^{136}$Xe utilizado. Además, la técnica de la sustracción de fondo, novel en el campo de las desintegraciones doble beta, emerge como una opción realmente interesante para las búsquedas de la $0\nu \beta\beta$ actuales y futuras, dada la mínima dependencia de este método con asunciones basadas en simulaciones Monte Carlo.	es_ES
dc.format.extent	273 p.	es_ES
dc.language.iso	en	es_ES
dc.subject	particle physics	es_ES
dc.subject	nuclear Physics	es_ES
dc.subject	double beta decay	es_ES
dc.subject	gaseous TPC detectors	es_ES
dc.title	Measurement of the Xe-136 two-neutrino double beta decay half-life with the NEXT-White detector	es_ES
dc.type	doctoral thesis	es_ES
dc.subject.unesco	UNESCO::FÍSICA	es_ES
dc.embargo.terms	0 days	es_ES
dc.rights.accessRights	open access	es_ES