The next path to neutrino inverse hierarchy

Resumo

De todas las partículas que componen el universo, quizás la más común de ellas sea también la más misteriosa, el neutrino. Ahora mismo miles de millones de estas partículas nos atraviesan sin percibirlo, y detectar una sola de ellas necesita de enormes detectores enterrados a gran profundidad. Postuladas por primera vez por Wolfgang Pauli en 1930, fueron bautizadas en 1934 como ”pequeños neutrones” por Enrico Fermi, aludiendo a dos de sus principales características: su pequeña masa y su ausencia de carga eléctrica. A mediados de los años 70, los neutrinos fueron incluidos en el Modelo Estándar bajo las premisas de: carecer de masa y carga eléctrica, experimentar únicamente la fuerza nuclear débil, ser los neutrinos distintos de sus antipartículas y la existencia de 3 familias con números leptónicos conservados por separado. Sin embargo, los experimentos de oscilaciones de neutrinos llevados a cabo durante las últimas décadas han demostrado que los neutrinos tienen masa y se mezclan, abriendo un nuevo campo en la física más allá del Modelo Estándar. Una de las maneras de acomodar estas masas en la teoría es que los neutrinos podrían ser partículas de Majorana, es decir, idénticas a sus antipartículas, al contrario que el resto de fermiones, y violar la conservación del número leptónico. De ser así, los neutrinos pudieran tener relación con la asimetría materia-antimateria del universo vía leptogénesis, así como ser una elegante explicación de la pequeñez de su masa a través del mecanismo ”see-saw”. Ante esta situación, es fácil entender que los neutrinos sean en la actualidad uno de los campos de moda de la investigación en física a nivel mundial y multitud de experimentos traten de arrojar luz sobre su naturaleza. El método más sensible para establecer la naturaleza de los neutrinos es la búsqueda de una hipotética y extremadamente rara transición nuclear llamada desintegración doble beta sin emisión de neutrinos (0νββ) en el que un núcleo de número atómico Z y número másico A se transforma en su isóbaro de número atómico Z + 2 emitiendo únicamente dos electrones: X (A,Z) → X (A,Z+2) + e− + e− Aunque la versión del proceso que incluye emisión de neutrinos ha sido observada y medida en varios isótopos, la versión sin neutrinos del proceso aún no lo ha sido a día de hoy. El mecanismo físico más simple que lo describe es el intercambio virtual de un neutrino ligero de tipo Majorana, de manera que toda la energía disponible en la desintegración (Qββ) se reparta entre los dos electrones emitidos. Precisamente ésta, sería la señal característica del proceso y por tanto el objetivo de todo experimento que pretenda encontrarlo. La semivida de este proceso llevaría implícita una medida indirecta de la masa de los neutrinos. Los experimentos actuales han seguido distintas aproximaciones tecnológicas buscando la mejor resolución energética y la menor actividad de ruido posible que maximicen su sensibilidad. Las técnicas más prometedoras son los bolómetros, las TPCs, los semiconductores y los centelleadores. Precisamente, a este último tipo pertenece Kamland-ZEN, experimento japonés que haciendo uso de 136Xe disuelto en centelleador líquido, ha establecido el límite más estricto hasta la fecha a la semivida de la desintegración 0νββ de 1.07 × 1026 años, con un rango de masa efectiva del neutrino Majorana entre 61 - 165 meV. Es importante recalcar aquí lo realmente improbable que es el proceso, con una semivida 17 órdenes de magnitud mayor que la propia edad del universo y que convierte su búsqueda en un gran desafío físico y tecnológico. La colaboración NEXT propone el detector NEXT-100 para la búsqueda de desintegraciones 0νββ, cuya sensibilidad es el objeto de estudio de esta tesis. Se trata de una TPC electroluminiscente capaz de albergar 100 kg de gas xenón a 15 bares de presión enriquecido al 91% en 136Xe, que será operada en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. El gas xenón es un medio ideal pues presenta una serie de características fundamentales para la búsqueda de desintegraciones ββ como son el que se pueda enriquecer fácilmente en su isótopo 136Xe, la facilidad para limpiarlo de impurezas, que presente señales de ionización y centelleo, que su resolución energética intrínseca sea mejor del 0.5% (FWHM a 2.5 MeV) y finalmente que su modo de desintegración 2νββ sea lento. En NEXT-100 cada uno de los planos está dedicado y optimizado para una función distinta. Los electrones de la desintegración ββ ionizan y hacen centellear al xenón a la par. La luz de centelleo es leída por fotomultiplicadores de gran tamaño del cátodo para dar una medida del comienzo del evento (t0). Los electrones de ionización derivan hacia el ánodo bajo la acción de un campo eléctrico moderado (300 - 500 V cm−1) donde son acelerados por un campo mucho más intenso. Esta aceleración genera luz de electroluminiscencia o centelleo secundario de forma proporcional al número de electrones que llegan. Esta luz es leída desde el cátodo para proporcionar la medida de la energía total depositada en el detector. Por su parte el ánodo, instrumentado con SiPMs equiespaciados 1 cm entre ellos, es el encargado de reconstruir la topología de las señales registradas a través de la lectura de esta misma luz de electroluminiscencia. De esta forma, la señal de dos electrones con origen en un mismo vértice y energía total depositada igual a 136Xe Qββ (2458 keV) correspondiente a la señal 0νββ tiene una morfología muy característica que es reconstruida por ambos planos de nuestro detector. Por un lado, el ánodo proporciona una reconstrucción topológica en forma de una única deposición de energía en forma de traza alargada, con una densidad de energía depositada por unidad de espacio recorrido constante, y que presenta áreas de alta deposición energética en sus dos extremos debido a los picos de Bragg. La reconstrucción topológica viene afectada principalmente por la difusión de los electrones de ionización a lo largo de su viaje hasta el cátodo, la difusión de la luz de electroluminiscencia, y de la separación existente entre los sensores. La resolución espacial esperada es de 10 mm en las componentes transversales y de 5 mm en la longitudinal. Por otro lado, el cátodo proporciona una medida de la energía total depositada en el volumen activo del detector que en el caso de nuestra señal será de 2458 keV con una resolución estimada del 0.7% FWHM. Cualquier evento registrado en el detector capaz de imitar la impronta dejada por la señal se considera un evento de ruido y como hemos visto anteriormente, su minimización es clave para maximizar la sensibilidad del detector. La identificación y evaluación de todos ellos bajo distintas circunstancias supone el principal objetivo de esta tesis. En NEXT-100 las principales fuentes de ruido son: • La radioactividad natural presente en todos los componentes del detector. Es la fuente de ruido más común. Especialmente dañinos son los isótopos 208Tl y 214Bi presentes en las cadenas de desintegración del torio y del uranio respectivamente, cuyas gammas de des-excitación poseen una energía cercana a Qββ y que eventualmente pueden presentar una topología similar a la de la señal. La selección de componentes de una radiopureza extrema es por lo tanto esencial en la fabricación de los detectores. • El radón es también un producto intermedio de las cadenas de desintegración, cuyo isótopo 222Rn con origen en el uranio y vida media de 3.8 días es especialmente perjudicial. Hay varios mecanismos por los cuales el radón puede producir eventos de ruido: desde el aire del laboratorio, a la contaminación intrínseca que puede presentar el xenón, así como al degassing de los materiales del detector cercanos al volumen activo. Para la mitigación de este tipo de ruido el LSC ha comprado un sistema que reduce en 4 órdenes de magnitud la presencia de radón en el aire del laboratorio; y eventualmente, en caso de ser necesario, pueden instalarse en el sistema de gas trampas de radón que filtren el xenón del detector. • Los muones cosmogénicos. Un flujo de 3 × 10−6 cm−2 s−1 ha sido medido en el Hall A del LSC, con una energía estimada teóricamente de entre 220 y 245 GeV con altos grados de incertidumbre. El paso de muones por el detector crea una serie de núcleos inestables y de neutrones que generan cascadas electromagnéticas capaces de generar eventos de ruido. Inicialmente, un sistema de centelleadores rodeando el detector puede detectar el paso de los mismos, y aplicando un tiempo muerto tras su paso eliminar el correspondiente ruido. Una segunda contribución de los muones viene de la activación del xenón por neutrones secundarios. La desintegración beta del 137Xe con un valor de Q de 4173 keV, en la práctica introduce un número de eventos en nuestra región de interés, que a la postre no pueden ser vetados y deben ser tenidos en cuenta en los cálculos de ruido del detector. • Los neutrones son partículas muy penetrantes capaces de activar distintos isótopos en las componentes del detector o generar alfas y protones que acaban generando gammas energéticas que pueden producir eventos de ruido. En el caso del LSC, el mayor porcentaje de neutrones tiene su origen en la contaminación de uranio y torio de las rocas que conforman las paredes del laboratorio y el flujo total medido es de 1.38 ± 0.14 × 10−5 cm−2 s−1. Como los muones, los neutrones también pueden generar ruido a través de la activación del xenón. Por suerte, los neutrones son fáciles de vetar. Existen placas comerciales de polietileno dopado con boro al 5% de 20 cm de espesor que los reduce en 3 órdenes de magnitud lo que convierte su contribución en despreciable. Parte del objetivo de esta tesis consiste en la simulación y evaluación de la eficiencia de señal, la actividad de ruido esperada de cada una de las fuentes y con estos datos, estimar la sensibilidad del detector. La simulación realizada es de tipo Monte Carlo y está basada en GEANT4. El análisis consiste en la aplicación secuencial de una serie de algoritmos y cortes encargados de identificar y cuantificar cuantos eventos de señal y de cada tipo de ruido poseen la energía y el patrón característico de las desintegraciones 0νββ. Los resultados obtenidos se resumen en una eficiencia de señal del 32% y un ruido total esperado menor de 4.22 × 10−4 cts. keV−1 kg−1 yr−1, siendo la mayor contribución la radioactividad natural presente en ambos planos de sensores del detector. Gracias a estos valores, la sensibilidad de NEXT-100 tras 5 años de toma de datos asciende a una semivida de 9.85 × 1025 años al 90% de CL, que se corresponde a una masa del neutrino de Majorana de 57 - 161 meV en función del elemento de matriz nuclear (NME) empleado, obteniendo los mejores límites de sensibilidad publicados hasta la fecha. Los últimos estudios realizados dentro de la colaboración permiten una evolución del detector NEXT-100 a una versión que denominamos alta definición que mejora las prestaciones del detector y la respuesta del análisis. Las principales mejoras y sus consecuencias son: • Alta resolución espacial. La adición de ciertos gases como el CO2 o el He al xenón permite la reducción de la difusión transversal y longitudinal a valores alrededor de 2 mm / sqrt(m), a la par que se mantiene la producción de luz. En la práctica esto supone poder ”ver” los eventos del detector en alta definición lo que propicia una mejor discriminación del ruido en base a su patrón topológico. • Alta resolución energética. Las últimas medidas de resolución energética hechas en NEW para eventos puntuales es ya del 0.5%, y esperamos poder extender dicha resolución a eventos más extensos en el corto plazo. La mejora permite una reducción lineal del ruido procedente del 208Tl y del 137Xe, y en un factor aún mayor del 214Bi. • Deep Neural Networks. Los estudios preliminares llevados a cabo por la colaboración en el uso de DNNs para la discriminación topológica de los eventos presentan ya una mejora sensible respecto al análisis estándar, y cabe destacar que hay bastante mar- gen de mejora en el uso de estas novedosas técnicas. La combinación de estas tres mejoras supone una reducción de la tasa de ruido esperada a un nivel de 6.82 × 10−5 cts keV−1 kg−1 yr−1 con una eficiencia de señal del 29%. El valor actualizado de sensibilidad al 90% de CL tras 5 años de toma de datos es de 1.48 × 1026 años y una masa del neutrino de Majorana de 47 - 131 meV. El número total de cuentas de ruido tras 5 años es de 0.6, lo que en la práctica convierte a NEXT-100 alta definición en un detector libre de ruido y que por lo tanto puede ser escalado a la tonelada para poder barrer todo el rango de masas correspondiente a la jerarquía inversa (20 - 50 meV). La extrapolación de la tecnología de la alta definición a un detector de una tonelada de xenón ha sido evaluada de forma somera en el presente estudio. Aún con ciertas licencias en el diseño del futuro detector, una estimación del ruido esperado arroja una actividad de 7.89 × 10−6 cts keV−1 kg−1 yr−1. Una figura tan baja de ruido permite que el incremento de masa de isótopo del nuevo detector tenga un reflejo casi lineal en la sensibilidad del detector, siendo la nueva sensibilidad tras 5 años de toma de datos de 1.34 × 1027 años al 90% CL y una masa del neutrino Majorana de 12 - 33 meV, barriendo por completo el rango de masas de la jerarquía inversa. Por último cabe destacar los esfuerzos de la colaboración en la búsqueda de la identificación del ión de bario (Ba++) que se genera tras la desintegración ββ del xenón usando una técnica de microscopía de super-resolución sensible a una sola molécula (SMFI) usada ampliamente en bioquímica. En la práctica supondría la eliminación de toda fuente de ruido a excepción de la desintegración 2νββ. Este escenario permitiría reducir la actividad de ruido del detector a un valor residual de ∼ 5 × 10−9 cts keV−1 kg−1 yr−1 a la par que permitiría incrementar la eficiencia de detección de señal al 56%. La sensibilidad que se alcanzaría en este caso tras 5 años de toma de datos sería de T0ν = 3.21 × 1027 años al 90% CL y una masa del neutrino Majorana de 10 - 28 meV, con una mejora lineal de la sensibilidad T0ν con la exposición. En el hipotético caso de que la masa de los neutrinos siguiera la jerarquía normal en vez de la inversa, la tecnología necesaria para explorar las masas del neutrino de Majorana correspondientes (∼ 1meV) deberá contemplar inexorablemente el ”barium tagging”.