Study of the Sensitivity of the LUX-ZEPLIN Detector to the Double Electron Capture Decay of Xe-124

Abstract

O Modelo Padrão da física de partículas é uma teoria extremamente bem-sucedida, pois consegue descrever a grande maioria dos dados provenientes de experiências de física de partículas. Contudo, este não tem em conta neutrinos massivos surgindo, assim, dúvidas sobre se os neutrinos são partículas de Majorana ou de Dirac. Se os neutrinos forem fermiões de Majorana, então decaimentos beta duplos sem emissão de neutrinos seriam uma maneira viável de alguns isótopos decaírem. Contudo, tais decaimentos violam a conservação do número leptónico total. Uma primeira abordagem para compreender os decaimentos beta duplos sem emissão de neutrinos é começar por estudar os decaimentos beta duplos com emissão de dois neutrinos. Assim sendo, neste trabalho estudamos a captura eletrónica dupla do Xe-124 através de simulações geradas pela experiência de LZ. Esta experiência consiste em 7 toneladas ativas de xénon líquido, monitorizadas por uma Câmara de Projeção Temporal, num ambiente de fundo ultrabaixo devido à blindagem que a água envolvente fornece e ao seu posicionamento debaixo de terra. O tempo de exposição da experiência de LZ será 1000 dias. Um conjunto de cortes é aplicado aos dados simulados que, posteriormente, são normalizados em função dos níveis de radioatividade medidos ou das taxas de interação esperadas no detetor, a fim de criar o modelo de fundo para o presente estudo. Este modelo é então usado para estimar a sensibilidade com um intervalo de confiança de 90%, e os potenciais de observação e descoberta, para cada modo da captura eletrónica dupla do Xe-124, através da abordagem estatística do Rolke. Espera-se que a experiência de LZ alcance uma significância de observação 3σ para o modo KK depois de 13 (+8/-6) dias, enquanto que para o modo KL demora 98 (+61/-47) dias e que alcance uma significância de descoberta 5σ para o modo KK e KL depois de 38 (+22/-17) dias e 275 (+172/-133) dias, respetivamente. Tendo em conta a sua baixa razão de ramificação, não se espera que a experiência de LZ seja capaz de observar o modo de decaimento LL.

The Standard Model (SM) of particle physics is an extremely successful theory which is capable of describing the vast majority of data from particle physics experiments. However, it fails to account for massive neutrinos bringing into question if neutrinos are Majorana or Dirac particles. If neutrinos are Majorana fermions, then neutrinoless double beta decays would be a possible way of some isotopes to decay, although such decays violate the conservation of total lepton number. A first approach to understand the neutrinoless double beta decays is starting to study the two neutrino double beta decays. Therefore, in this work we study the double electron capture of Xe-124 with simulated data provided by the LUX-ZEPLIN experiment. This experiment consists in 7 active tonnes of liquid xenon, monitored by a time projection chamber, in an ultra-low background environment due to the surrounding water shield and its underground placement. The LZ experiment will run for 1000 days. A set of cuts is applied to the simulated data, which is then normalized to measured radioactivity levels or expected interaction rates in the detector in order to create the background model for this study. This model is then used to estimate the 90% CL sensitivity, observation and discovery potentials, for each decay mode of the double electron capture of Xe-124, through the Rolke statistical approach. The LZ experiment is expected to reach the 3σ observation significance for the KK-mode after 13 (+8/-6) days, while for the KL-mode it takes 98 (+61/-47) days and reach a 5σ discovery for the KK and KL-mode after 38 (+22/-17) days and 275 (+172/-133) days, respectively. Given its low branching ratio, it is not expected that LZ will be able to observe the LL decay mode.