Optimization of the vertical separation of multiple scatter events in the LZ detector with applications in the sensitivity to the 0vbb decay of 136Xe

Abstract

The neutrinoless double beta (0vbb) decay is a hypothesized process which, if observed, would show that lepton number violating processes are possible, giving a plausible explanation to the mechanism that lead to a matter dominated Universe, denominated as leptogenesis. It would also lead to a better understanding of the Majorana nature of the neutrino (the neutrino as its own antiparticle) and possibly clarify the neutrino mass hierarchy. The field of research for the 0vbb is extremely active, with several running and planned experiments using distinct technologies to the search for this decay.The LZ experiment is a dual-phase xenon time projection chamber (TPC) designed to search for dark matter in the form of WIMPs. The discovery potential of the LZ experiment does not only fall on the dark matter WIMP search but in a wide range of rare decays and new physics, such is the case of 0vbb. With a projected 90% CL sensitivity of 1.06*10^26 years for the half life of 0vbb decay in 136Xe (for an experimental live time of 1000 days), it can rival dedicated 0vbb experiments. But as in other fields of science, the future of dark matter and rare event searches is being planned now, with the new XLZD Consortium that intends to build a much larger detector based on the work done in LZ, DARWIN and XENONnT.For 0vbb, the main background sources are high energy gamma-rays, which have a high probability of interacting multiple times. The importance of the development of a SS/MS discrimination tool stands on the fact that the sensitivity of the LZ experiment for high energies can be improved with a better distinction between single scatter and multiple scatter events. This is done to some extent with the data processing and analysis framework of LZ (LZap), but can be improved using dedicated technologies. In this work an algorithm was developed to explore the shape of the electroluminescence signal as a mean to characterize single-site and multi-site interactions and improve the minimum vertical pulse vertex separation.LZap can natively discriminate pulses down to vertical separations of 4.4 mm for all events near the top of the TPC. The developed algorithm was tested with real data from the LZ detector and demonstrated that it is possible to identify multiple scatter interactions vertically separated down to 2 mm for all drift times of the TPC. It also showed good potential in discriminating pulses with a multiplicity higher than two, surpassing the original objective.

O decaimento duplo de electrões sem emissão de neutrinos (0vbb) é um processo teorizado que, se observado, mostrará que processos que violem a concervação do número leptónico poderão existir, podendo explicar o mecanismo que conduziu o Universo a ser dominado por matéria, denominado por leptogenesis. Poderá também explicar a natureza Majorana do neutrino (sendo a sua própria antipartícula) e possívelmente clarificar a hierarquia de massas dos neutrinos. A área de pesquisa do 0vbb é extremamente ativo, com diversas experiências em funcionamento e a serem planeadas usando diversas tecnologias para procurar este decaímento.A experiência LZ consiste numa câmara de projeção temporal (TPC) de duas fases de Xenon projetada para a descoberta the matéria escura na forma the WIMPs. O potencial de descoberta da experiência de LZ não está só limitado à procura de WIMPs mas, também a outros decaimentos raros e física nova, como é o caso do 0vbb. Com uma sensibilidade para o tempo de meia vida para o decaimento 0vbb do 136Xe de 1.06*10^26 anos (para 1000 dias de aquisição de dados) assumindo um intervalo de confiança de 90%, consegue rivalizar com experiências puramente dedicadas a 0vbb. De forma semelhante a outras área de ciência, o futuro está a ser planeado agora, como é o caso do Consórcio XLZD que pretende construir um detector de grande dimensões baseado no trabalho realizado em LZ, DARWIN e XENONnT.Para o decaimento 0vbb, a principal fonte de fundos são raios-gama de alta energia, que têm uma elevada probabilidade de interagirem multiplas vezes. A importância do desenvolvimento de ferramentas de discriminação entre eventos simples ou multiplos é justificada pelo facto de a sensibilidade da experiência de LZ para altas energias poder ser melhorada com uma melhor distinção entre eventos de simples ou múltiplos. Isto é conseguido pela framework de processamento de dados de LZ (LZap), mas pode ser melhorada usando técnicas dedicadas. Neste trabalho um algoritmo foi desenvolvido para explorar o perfil do sinal de eletroluminescência, de forma a caracterizar melhor a topologia dos eventos e melhorar a separação vertical miníma entre pulsos.LZap pode discriminar nativamente pulsos até uma separação vertical mínima de 4.4 mm para eventos no topo da TPC. O algoritmo desenvolvido foi testado com dados reais adquiridos pela experiência LZ e demonstrou que é possível identificar pulsos com interações verticais múltiplas até a um mínimo de 2 mm para todos os tempo de deriva da TPC. Além disso, também mostrou potencial para discriminar pulsos com multiplicidades superiores a dois, ultrapassando o objetivo inicial.