Calibration and background model of the new detector at the lsc

Resumen

El Modelo Estándar de la física de partículas describe los constituyentes fundamentales de la materia y su comportamiento. Desarrollado en los años 70, ha servido para explicar el auge de los descubrimientos de nuevas partículas a principios del s. XX así como para predecir otras. Su validez ha sido probada y es aceptada por toda la comunidad científica. Sin embargo, el descubrimiento de la masa del neutrino evidencia que esta no es la teoría ultima y por tanto que hay física mas allá del Modelo Estándar. Al igual que ocurrió con el propio neutrino (la partícula elemental mas pequeña) en el momento de su propuesta para explicar la energía aparentemente no conservada en las desintegraciones beta (Pauli,1930) y su posterior descubrimiento (Cowan{Reines, 1956); el descubrimiento de la masa del neutrino también vino asociado a la desaparición, en este caso, de un tercio de los neutrino previstos. En la medida del flujo de neutrinos provenientes del Sol se observaba un deficit respecto a los cálculos teóricos y su posible explicación era que estos pudieran oscilar, es decir cambiar de un estado a otro, siendo para ello necesario que los neutrinos fueran masivos. La oscilación de neutrinos ha sido probada por diferentes experimentos y diferentes canales. Actualmente el valor preciso de la masa de los neutrinos sigue sin conocerse puesto que de los experimentos de oscilaciones solo pueden extraerse resultados de diferencias cuadraticas de las masas. No obstante se sabe que son muy ligeros (50 meV el mas ligero) comparados con las demás partículas elementales. Su efusividad y su ligereza, en otras palabras su comportamiento, esta siendo hoy en da uno de los campos mas estudiados de la física. Falta por entender como adquieren masa estas partículas y una de las hipótesis que da respuesta a la vez a su ligereza es que fueran su propia antipartícula (fermiones de Majorana). Esto ademas, permitiría procesos en los que se viola la conservación del numero leptónico y as dar una explicación a la asimetría bariónica observada en el universo. Si el neutrino es su propia antipartícula podría haber inclinado la balanza en equilibrio materia-antimateria a favor de la primera durante los primeros instantes del universo. Así con su carácter de apariciones y desapariciones, al que parece estar ligado, el neutrino podría haber dado lugar al universo visible actual. Diferentes lineas experimentales estudian hoy en da el neutrino y sus características, sin embargo la mejor linea para poder determinar si el neutrino es Majorana es a través de la desintegración doble beta sin neutrinos. La desintegración doble beta es un proceso nuclear de segundo orden de los denominados raros, que ocurre entre dos núcleos pares entre los cuales esta energéticamente prohibida la desintegración beta. Este proceso implica un cambio en la carga Z de dos unidades. Podría ocurrir en dos formas: con la emisión de neutrinos (ββ2�) o sin ella (ββ0�). La desintegración doble beta sin neutrinos, es una transición radiactiva hipotética en la que dos neutrones se desintegran en dos protones mediante el intercambio de un neutrino, emitiendo dos electrones. Este proceso solo es posible si el neutrino es su propia antipartícula, es decir, una partícula de Majorana. Si se observara la desintegración doble beta sin neutrinos, ademas de confirmar la naturaleza Majorana de estos, se podría derivar la masa efectiva del neutrino al medir la vida media de este proceso (Tββ01/2)-1 = G0j |M0j|2( -mββ - /me )2 y así también establecer su jerarquía absoluta. En esta ecuación, G0 es una integral de espacio de fases, M0 es el elemento de matriz nuclear del proceso, me es la masa del electron y m es la llamada masa efectiva Majorana del neutrino. As pues, el descubrimiento de este proceso permitiría explicar la pequeña masa de los neutrinos con respecto al resto de fermiones e implicara la violación del numero leptónico en dos unidades, lo que puede ser un ingrediente para la leptogénesis primordial, explicando la asimetría entre materia y antimateria en el Universo. La respuesta a estas incógnitas y sus implicaciones a través de la observación de un único proceso, hacen de la búsqueda de las desintegraciones doble beta sin neutrinos un campo muy activo. Solo se conocen unos pocos isótopos que pueden decaer mediante la transición ββ2� permitida en el modelo estándar y por tanto candidatos para búsquedas del proceso ββ0�. Ademas de los diferentes isótopos, también existen diferentes técnicas experimentales para poder medir este proceso. Los detectores empleados para buscar la desintegración doble beta miden, en general, la energía cinética de los electrones emitidos en el proceso. La suma de estas energías sera, en una desintegración doble beta sin neutrinos, igual al valor Qββ del proceso. Un detector ideal podría medir estos eventos monocromáticos, pero en la practica, la resolución energética finita de cualquier detector distribuirá la energía reconstruida en una gaussiana centrada en Qββ. Cualquier otro proceso que deposite energía en esa region del espectro dentro del detector, incluido el propio proceso ββ2�, puede dificultar la medida y es catalogado como ruido de fondo. Por ello, una resolución energética capaz de discernir señal y ruido es un parámetro fundamental para todos los experimentos. Aun as, no es suficiente por sí sola y cualquier ayuda extra para reducir o identificar los ruidos de fondo son necesarias. La mayoría de experimentos utilizan esas identificaciones adicionales explotando sus técnicas de detección: doble detección, etiquetado, patrones 3D. . . Respecto a la reducción de los ruidos de fondo, todos los experimentos diseñan y eligen con cuidado los materiales para su detectores, puesto que la principal fuente de ruido proviene de la radiactividad natural de las impurezas presentes en todos los materiales (232Th y 238U principalmente). Una caracterización y selección de los posibles materiales es esencial. Ademas, los ruidos de fondo pueden ser generados por rayos cósmicos y por tanto su atenuación operando el detector en instalaciones subterráneas es también necesaria. Cuando se pretende observar este proceso tan raro, la optimización de todos los parámetros es necesaria y puede dar lugar a diferentes aproximaciones. Su relación suele describirse como T1/2 ∝ a·�√(M·t/ΔE·B) donde � es la eficiencia de detección, el producto de la cantidad de isótopo utilizado (M) por el tiempo de medida (t) es la exposición, ΔE es la resolución energética y B la tasa de ruido de fondo. La optimización simultánea de todos estos parámetros no es, en general, posible; consecuentemente, se han propuesto técnicas experimentales muy variadas para buscar la desintegración. Actualmente las técnicas experimentales que lideran la búsqueda son: los detectores de germanio, los detectores de centelleo, los bolómetros y las cámaras de proyección temporal (TPC). La generación actual (experimentos del orden de 100 kg de masa de isótopo emisor) no ha encontrado ninguna evidencia del proceso 0, llegando a establecer un limite inferior a la vida media del proceso de 1026 años, lo que implica una masa efectiva menor que 0.24 eV. Esto demuestra un gran reto experimental y la posible necesidad de saltar a escalas mas grandes (del orden de la tonelada) para, al menos, barrer la banda de masas de la jerarquía inversa del neutrino. Entre las propuestas actuales, aquellas basadas en una TPC gaseosa tienen la ventaja de obtener la reconstrucción espacial de la traza dejada por la partícula usando detectores de pixeles, como es el caso de NEXT. El experimento NEXT (Neutrino Experiment with a Xe TPC) tiene como objetivo la detección del modo ββ0� usando 100 kg del isótopo 136Xe en una TPC gaseosa a alta presión (15 bar). El principio de NEXT esta basado en dos planos de detección separados y optimizados: uno para medir la energía y otro para reconstruir la trayectoria. El gas xenon como emisor y como medio detector ofrece un diseño compacto a la vez que sus propiedades como detector de radiación, con dos señales primarias, permiten marcar el inicio del evento (centelleo) para su reconstrucción espacial y medir su energía y trayectoria (ionización). Para amplificar la señal de ionización se utiliza la electroluminiscencia del xenon proporcionando una excelente resolución energética < 0:5% FWHM en Q. La capacidad extra de reconstruir la traza topología característica de un evento permite eliminar la mayor parte del ruido de fondo del experimento. Con todo ello, la tasa de ruido esperada para NEXT-100 es 4 x10-4 cuentas/ (keV kg año). Esto permitirá llegar a una sensibilidad de T ββ0 1/2 (136Xe) ∼ 6 x1025 años en tres años efectivos. Las capacidades técnicas de buena resolución energética y topología de la propuesta tecnológica de NEXT fueron demostradas con los prototipos NEXT-DEMO y NEXT-DBDM. Ahora su escalabilidad y la revision de las previsiones de ruido basadas en simulaciones es el objetivo a demostrar con la puesta en marcha del detector radiopuro NEXT-NEW en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. Ademas este detector permitirá reconstruir trazas mas largas y demostrar una buena resolución energética en un detector grande, as como posiblemente medir el modo de desintegración con neutrinos (ββ2�.). El objetivo principal es identificar los ruidos de fondo tanto del laboratorio como de los materiales con los que se ha construido el detector. El detector NEW es una cámara de proyección temporal a escala 1:2 del detector NEXT-100. Esta compuesto de una jaula eléctrica cilíndrica que proporciona un campo de deriva a los electrones ionizados al aplicarles un voltaje entre el ánodo y el cátodo. Unos milímetros antes del ánodo esta situado otro electrodo que forma una zona de electroluminiscencia al aplicarse un campo eléctrico mayor entre este y el ánodo. Justo detrás del ánodo esta situado el plano de trazas, donde unos circuitos de Kapton mantienen 1800 fotomultiplicadores de silicio homogéneamente espaciados 1 cm que permiten la reconstrucción de la trayectoria seguida por el electron. En el lado opuesto de la cámara, el plano de energía compuesto por 12 tubos fotomultiplicadores miden la energía del evento. Estos tubos fotomultiplicadores registran también el inicio del evento permitiendo, al juntar la información de los dos planos, obtener una imagen tridimensional del evento. Los sensores se mantienen en su posición con dos placas de cobre que a su vez, junto con las barras de cobre que rodean la jaula eléctrica, constituyen la pantalla para disminuir el ruido de fondo dentro de la vasija de presión. Todo lo anterior esta colocado dentro de la vasija de presión que permite mantener los 10-15 bares de xenon. El gas se purifica mantiendose en circulación a través de un circuito de válvulas y filtros gracias a un compresor. Por ultimo, una caja móvil de bloques de plomo cubre y apantalla el detector del ruido de fondo proveniente del laboratorio. Uno de los objetivos del detector NEW y del trabajo presentado en esta tesis es la validación el modelo de radiación de fondo de NEXT. Los estudios realizados en esta tesis comprenden la caracterización de la escalabilidad de un prototipo pequeño (NEXT-DEMO) a un prototipo intermedio y limpio (NEXT-NEW) en términos de radiopureza. Los posibles ruidos de fondo que pueden comprometer la señal a observar en el detector son de tres tipos: cadenas radiactivas naturales en los materiales de construcción, radiactividad ambiental en el laboratorio y rayos cósmicos (por los cuales es necesario operar en un laboratorio subterráneo). Para la construcción del detector se han tenido en cuenta las posibles impurezas contaminates de los materiales a utilizar. La labor de validación del diseño según los requisitos de radiopureza basado en la simulación de los posibles ruidos de fondo ha permitido identificar varios elementos críticos para los objetivos físicos de NEW (en algunos casos se ha cambiado el diseño y/o el proveedor), la caracterización del propio laboratorio respecto a los objetivos de NEXT y la estimación de su actividad y funcionamiento. Con el modelo desarrollado, una vez validado y actualizado, se puede pronosticar el comportamiento de NEXT-100. Estas simulaciones permiten utilizar los algoritmos de análisis desarrollados para la búsqueda de candidatos y estimar la contribución de los ruidos de fondo en NEW en un total de 4.5 mHz en la ventana de 0.7-2.7 MeV. También permite la estimación de una medida de la vida media del modo 2 con 5 en 90 das acumulados de datos de bajo background. Por otra parte también se describe la puesta en marcha del detector en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc y su calibración. Durante la fase de puesta en marcha y calibración del detector NEW, se ha llevado a cabo la calibración de los planos de sensores utilizando el método de respuesta a un fotoelectron bajo la emisión de LED. Este método fue desarrollado en NEXT{DEMO y posteriormente adaptado para NEXT-NEW. La respuesta de los dos planos de sensores, PMTs y SiPMs, es correcta y permite la monitorización de su evolución. El estudio ydesarrollo con simulaciones Monte Carlo del análisis para un método de calibración de las aberraciones geométricas y su efecto en la resolución energética, muestra que la utilización de una fuente de 83Krm dentro de los programas de calibraciones con fuentes radiactivas| proporciona un buen método para la medida de diferentes propiedades de la cámara y la utilización de las mismas para corregir deformaciones en los datos obtenidos. Este método es aplicado a los primeros datos del detector NEW obteniendo resultados prometedores de resolución energética -1% extrapolada al Qββ. Los datos también proporcionan algunas claves para la mejora del método as como de algunos aspectos del detector para su posterior funcionamiento de manera estable y continua.