The NEXT experiment for neutrinoless double beta decay searches

Abstract

La desintegración doble beta sin emisión de neutrinos es un hipotético proceso radiactivo en el que un núcleo de número atómico Z y número másico A se transforma en su isóbaro de número atómico Z+2 emitiendo dos electrones. La observación de esta desintegración probaría que el neutrino es una partícula de tipo Majorana (es decir, indistinguible de su antipartícula) y que la ley de conservación del número leptónico total puede violarse en las interacciones físicas, dos hallazgos con profundas implicaciones en cosmología y física de partículas. Hasta la fecha, no se ha obtenido evidencia experimental convincente de la existencia de la desintegración. El campo, no obstante, atraviesa en la actualidad una edad dorada, motivada posiblemente por un controvertido anuncio de descubrimiento en 2001 en el experimento Heidelberg-Moscow, y por la observación, hace ya más de 15 años, de las oscilaciones de neutrinos, que implican que el neutrino tiene masa, condición necesaria para que se produzca la desintegración doble beta sin neutrinos. Los experimentos de la generación actual emplean variadas técnicas de detección y masas de isótopo que oscilan entre unas pocas decenas de kilogramos hasta varios centenares. Tras unos pocos años de operación, estos experimentos alcanzarán sensibilidades a la semi-vida de la desintegración próximas a 1E26 años. Si no observaran ninguna señal, sería preciso expandir los experimentos a la escala de la tonelada para alcanzar sensibilidades superiores a 1E27 años y, así, poder explorar completamente la región correspondiente a la jerarquía inversa de masas del neutrino. El experimento NEXT buscará la desintegración doble beta sin neutrinos usando una cámara de proyección temporal (o TPC, por sus siglas en inglés) llena con 100 kg de xenón gaseoso (enriquecido al 91% en el isótopo Xe-136) a una presión de 15 bares. Dicho detector ofrece dos valiosas prestaciones para un experimento de este tipo: excelente resolución energética (cercana al 0.5% FWHM a 2.5 MeV) y trazado de partículas cargadas para la discriminación de señal y ruido. Además, la tecnología puede ser extrapolada sin demasiados problemas a la escala de la tonelada, permitiendo la exploración completa de la región correspondiente a la jerarquía invertida de masas de los neutrinos. El detector, conocido como NEXT-100, está actualmente en construcción, y su instalación y puesta en marcha en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC), en España, se han previsto para el año 2017. Los dos primeros capítulos de esta tesis tratan los conceptos teóricos básicos de la naturaleza Dirac/Majorana del neutrino y de la desintegración doble beta. En el tercer capítulo se describen los aspectos experimentales más relevantes a considerar en la búsqueda de la desintegración doble beta. En el cuarto se discute la aplicación de una TPC de xenón gaseoso para la búsqueda de la desintegración, y en el quinto capítulo se introduce el experimento NEXT, discutiéndose los principales resultados de la fase inicial de investigación y desarrollo del experimento. El sexto capítulo versa sobre la simulación Monte-Carlo de los detectores de NEXT, esencial para la estimación de la sensibilidad del experimento, discutida en el séptimo capítulo. El octavo capítulo trata el futuro próximo de las búsquedas de la desintegración doble beta. Finalmente, el capítulo nueve resume las conclusiones principales del trabajo.