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about lip

Funded Projects / details

Cofinanciado por:

FCT 
República Portuguesa 

Project
NEXT: Detection of the neutrinoless Double Beta Decay in Xe-136-the NEXT experiment

Code PTDC/FIS-NUC/3933/2021

Beneficiary Entity

LIP - Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas


Project summary

O decaimento beta duplo sem emissão de neutrinos (ββ0ν) é uma transição nuclear hipotética na qual dois neutrões sofrem decaimento beta em simultâneo, sem emissão de neutrinos. A confirmar-se, a observação deste decaimento teria um impacto enorme na nossa compreensão do universo: a) demonstraria a violação do número leptónico, que poderia explicar a assimetria cósmica entre matéria e antimatéria; b) estabeleceria os neutrinos como partículas de Majorana, sendo uma explicação para as reduzidas massas dos neutrinos obrigando a uma revisão do Modelo Padrão. A física por detrás destas experiências é de uma importância fundamental nas áreas da física de partículas e da cosmologia, estendendo o nosso conhecimento do universo para além das suas fronteiras atuais. Está em curso um grande esforço experimental para detetar o ββ0ν com diversos isótopos utilizando diferentes técnicas experimentais. Há dois requisitos fundamentais: uma excelente resolução em energia (RE) e uma eficiente rejeição de eventos de radiação de fundo. Ambos têm de ser otimizados para eliminar acontecimentos que ocorram com energias semelhantes, e que não correspondam a ββ0ν. Para além disso, a experiência tem de ser escalável para massas isotópicas na ordem das toneladas. Só algumas das experiências em curso podem cumprir estes requisitos. A colaboração NEXT tem reconhecimento internacionalmente na procura do ββ0ν, operando uma câmara de deriva (TPC ) com 136Xe a alta pressão e com estágio de amplificação em eletroluminescência (EL). Uma das vantagens da TPC -óticas gasosa quando comparada com as TPC s-líquidas, é que apresenta valores de RE muito melhores têm a capacidade de gerar uma imagem do traço das partículas em 3D, sendo esta uma ferramenta útil (a ‘assinatura topológica’) para discriminar radiação de fundo. Desde Outubro de 2016, a colaboração opera a maior TPC -ótica do mundo (10kg de Xe a 10 bar); foi já demonstrado ser possível alcançar uma RE abaixo de 1% FWHM a 2.5 MeV e provada a eficiência da assinatura topológica na discriminação do traço produzido pelos dois eletrões resultantes do decaimento beta duplo, do traço produzido por um único eletrão proveniente da radiação de fundo. A primeira campanha com Xe enriquecido começou em 2019, com o objetivo de medir o espetro do decaimento beta duplo com emissão de dois neutrinos e determinar o seu tempo de meia vida com melhor precisão. A presente proposta visa apoiar a atividade de R&D dos três grupos Portugueses na colaboração NEXT. Nos últimos anos, temos liderado um dos mais importantes esforços de R&D na colaboração: o impacto na EL do Xe de aditivos moleculares, C H4, C O2, C F4 e TMA, bem como He, tanto por simulação como experimentalmente. Estes aditivos podem aumentar a velocidade de deriva dos eletrões e diminuir a difusão, melhorando a resolução em posição e a capacidade de rejeição de radiação de fundo, bem como a sensibilidade da TPC . Os nossos estudos demonstraram o grande impacto dos aditivos moleculares no rendimento de EL do Xe e na resolução em energia da TPC , porém pode conseguir-se um compromisso para concentrações sub-percentuais destes aditivos. Provou-se ser possível reduzir o coeficiente de difusão eletrónica por um fator de ~5, com um impacto insignificante na RE, apesar da redução acima de 50% no rendimento de EL. Tendo provado isto, o estudo do impacto destes aditivos na cintilação primária é imperativo para validar o seu uso: a possível redução da cintilação primária do Xe pode sobrepor-se aos benefícios encontrados nos estudos de EL uma vez que a cintilação primária é necessária para definir o instante inicial do evento. Assim, um estudo detalhado nestes tópicos tem de ser realizado e será um dos principais temas de R&D do presente projeto. Estes estudos terão também grande impacto para além da experiência NEXT, como outras experiências que utilizem a assinatura topológica no Xe gasoso para a deteção de eventos raros: para além do ββ0ν, também investigação de Matéria Escura Direcional e experiências de deteção de dupla captura eletrónica. Outra tarefa que será liderada por nós será a avaliação do uso de fibras óticas conversoras de comprimento de onda para revestir as paredes da TPC e/ou os planos de leitura da cintilação. O uso de fibras permitirá colocar a eletrónica de leitura (SiPMs ou PMTs) longe do volume sensível, por detrás da blindagem, suprimindo a sua contribuição para o saldo radioativo dentro do detetor. Uma medida precisa da eficiência de recolha de luz será crucial para decidir acerca desta solução tecnológica da experiência NEXT com vista ao planeamento do protótipo na escala das toneladas. A recolha eficiente de luz é crucial na experiência, pelo que a sua medida precisa será de extrema importância na decisão da solução tecnológica a adotar. Por último, mas não menos importante, os grupos Portugueses contribuirão na montagem e teste do sistema NEXT-100, no Laboratório Subterrâneo de C anfranc, e na subsequente campanha de recolha de dados.


Support under

Reforçar a investigação, o desenvolvimento tecnológico e a inovação

Region of Intervention

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Funding

Total eligible cost

€ 62,910.00


EU financial support

€ 0.00


Funding LIP

€ 62,910.00


National public financial support

€ 62.91

 

Dates

Approval

2021-10-19


Start

2022-01-01


End

2024-12-31



Team


Afonso Manuel Lopes Paixão Pereira Marques
Alexandre Manuel da Fonseca Trindade
Carlos Alberto Nabais Conde
Filipa Isabel Gouveia de Melo Borges Belo Soares
José Manuel Dias Escada
Maria Filomena de Osorio Pinto dos Santos