Optimisation of a Xenon Time Projection Chamber for Studies of Neutrinoless Double Beta Decay in 136Xe

Abstract

The properties and nature of neutrinos have fueled scientific curiosity for years, especially since the observation of neutrino oscillations proved that neutrinos have mass. This discovery, along with others, motivated further research on this subject and the possibility that neutrinos could be Majorana fermions. Neutrinoless double beta decay is one hypothetical process by which it is possible to explore this problem since its observation would signify the non-conservation of fundamental laws in particle physics.As liquid Xenon (LXe) experiments for dark matter searches evolve and become more sensitive, with it comes the opportunity to study other rare physics phenomena. The LUX-ZEPLIN experiment is the largest time projection chamber (TPC) ever built, housing 10 tonnes of natural Xenon, hence making it a great candidate to study neutrinoless double beta decay in 136Xe. However, current LXe experiments are not optimised to detect such decays as they are designed to search for dark matter candidates such as WIMPs (weakly interacting massive particles), which are expected to produce low energy interactions, contrasted by the MeV energy range of the neutrinoless decay.In the work presented in this dissertation, neutrino properties and the physics and importance behind neutrinoless double beta decay were studied, along with the experimental requirements for different detection options. We delve into the specifics of LXe TPCs, their working principle and how its design and technology can be elevated to reconstruct energy and position of rare decays. A newly developed prototype for future detectors is presented under the name of Xenia, and we present the optimisation of its design to reach 124 micrometres spatial resolution at a Q-value = 2.459 MeV for the neutrinoless decay in 136Xe. Finally, we describe the operation of a simulation tool developed to study the detector response of Xenia to interactions and demonstrate its feasibility with examples of simulated events.

As propriedades e natureza dos neutrinos têm alimentado a curiosidade científica durante anos, especialmente desde a observação do fenómeno de oscilação de neutrinos que provou que estes possuem massa. Esta descoberta, em conjunto com outras, motivou o aprofundamento da investigação sobre este tema e a possibilidade de os neutrinos serem fermiões do tipo Majorana. O decaimento duplo beta sem neutrinos é um dos processos hipotéticos através dos quais é possível explorar este problema, já que a observação deste decaimento significaria que existe violação da conservação de de leis fundamentais da física de partículas.À medida que as experiências de matéria escura que utilizam Xénon líquido evoluem e se tornam mais sensíveis, surge a oportunidade de estudar outros fenómenos físicos raros. A experiência LUX-ZEPLIN é a maior câmara de projeção temporal alguma vez construída, contendo 10 toneladas de Xénon natural, tornando-a uma excelente candidata para o estudo do decaimento beta duplo sem neutrinos no 136Xe. No entanto, as experiências de Xénon líquido atualmente em curso não foram otimizadas para detetar estes decaimentos, visto que estas são desenhadas para procurar candidatos à matéria escura como os WIMPs (partículas massivas de interação fraca), os quais se espera que produzam interações de baixa energia, ao contrário da energia da ordem dos MeV esperados para o decaimento sem neutrinos.Durante esta tese foram estudadas as propriedades dos neutrinos, a física e a importância inerente ao decaimento duplo beta sem neutrinos, bem como os requisitos experimentais para diferentes formas de deteção. Aprofundaram-se os conhecimentos sobre a especificidade das câmaras de projeção temporal, o seu princípio de funcionamento e como o seu design e tecnologia pode ser melhorado para reconstruir a energia e a posição de decaimentos raros. Um novo protótipo desenvolvido para detetores futuros é apresentado sob o nome de Xenia, e apresentamos a optimização do seu design de modo a atingir 124 micrómetros de resolução espacial para uma energia de Q = 2.459 MeV, correspondente ao decaimento duplo beta sem neutrinos no 136Xe. Finalmente, descrevemos o funcionamento de uma ferramenta de simulação desenvolvida para estudar a resposta do detetor Xenia a interações, e demonstramos a sua viabilidade com exemplos de eventos simulados.