First results of the NEXT-100 detector using $^{83m}$Kr decays

Tief in der subatomaren Welt gibt es ein seltenes und mysteriöses Ereignis, nach dem Physiker seit Jahrzehnten jagen: den neutrinolosen Doppelbetazerfall. Nach den Standardregeln der Natur können bestimmte Atome sich verwandeln, indem sie zwei Elektronen und zwei unsichtbare Teilchen namens Neutrinos aussenden. Sollte jedoch eine bestimmte Art von Neutrino existieren – eines, das sein eigenes Antiteilchen ist, bekannt als Majorana-Teilchen –, könnte dieser Prozess geschehen, ohne dass dabei Neutrinos freigesetzt werden. Das Finden dieses Zerfalls würde unser Verständnis des Universums umschreiben und beweisen, dass Materie und Antimaterie tiefer miteinander verknüpft sind, als wir dachten. Um dieses flüchtige Ereignis einzufangen, benötigen Wissenschaftler Detektoren von immenser Sensitivität und Präzision, die in der Lage sind, ein einzelnes, seltenes Signal von einem Meer aus Hintergrundrauschen zu unterscheiden. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, einen ausreichend großen Behälter zu bauen, sondern sicherzustellen, dass jedes winzige Stück der im Inneren freigesetzten Energie mit perfekter Klarheit gemessen wird.

Ein Forscherteam, bekannt als die NEXT-Kollaboration, arbeitet an dieser Herausforderung mit einem spezialisierten Detektor, der mit hochdruckförmigem Xenongas gefüllt ist. Ihr neuester Versuch, das NEXT-100-Experiment, hat vor kurzem seine erste Phase des Betriebs tief unter der Erde im Laboratorio Subterráneo de Canfranc in Spanien begonnen. Diese Anlage ist als eine riesige, dreidimensionale Kamera konzipiert, die in der Lage ist, die Pfade von Elektronen mit unglaublicher Detailgenauigkeit zu verfolgen. Das Ziel ist es, den Detektor schließlich mit einer schweren, angereicherten Version von Xenon zu füllen und darauf zu warten, dass der seltene Zerfall eintritt. Bevor sie jedoch mit dieser langen Suche beginnen können, müssen sie beweisen, dass die Maschine genau wie beabsichtigt funktioniert. In ihrem ersten großen Bericht beschreibt das Team, wie sie das „Sehen“ des Detektors mithilfe einer sicheren, künstlichen Energiequelle getestet haben, um die Leistung abzubilden und sicherzustellen, dass sie stabil genug für die jahrelange Datensammlung ist.

Um die Maschine zu testen, führten die Forscher eine winzige Menge eines radioaktiven Gases namens Krypton-83m in die mit Xenon gefüllte Kammer ein. Dieses Gas fungiert als perfekte, bekannte Energiequelle, die auf eine Weise zerfällt, die einen präzisen, winzigen Energieausbruch von 41,5 Kiloelektronenvolt freisetzt. Da diese Energie so niedrig und konsistent ist, dient sie als zuverlässiges Lineal, an dem der Detektor gemessen werden kann. Während die Kryptonatome im gesamten Volumen des Detektors zerfallen, erzeugen sie Lichtblitze, die von zwei verschiedenen Sätzen von Sensoren erfasst werden. Ein Satz von Sensoren, der sich an einem Ende des Zylinders befindet, misst die Gesamtmenge des Lichts, um die Energie des Ereignisses zu bestimmen. Der andere Satz, ein Gitter aus winzigen Lichtsensoren auf der gegenüberliegenden Seite, erfasst die Form und Position des Lichts, um den Ort des Ereignisses exakt in drei Dimensionen zu rekonstruieren. Durch die Analyse von Millionen dieser Ereignisse konnte das Team eine detaillierte Karte erstellen, wie der Detektor auf Energie an jedem einzelnen Punkt innerhalb der Kammer reagiert.

Die Ergebnisse dieser anfänglichen Kalibrierung waren äußerst ermutigend. Die Forscher stellten fest, dass die Reaktion des Detektors nicht perfekt gleichmäßig war; die Menge des gesammelten Lichts variierte leicht, je nachdem, wo das Ereignis auftrat, beeinflusst durch die Geometrie der Kammer und das Verhalten der Elektronen, während sie durch das Gas driften. Durch die Verwendung der Daten aus den Krypton-Zerfällen zur Erstellung einer Korrekturkarte konnten sie jedoch die Messwerte anpassen und die Sicht des Detektors über das gesamte Volumen hinweg vereinheitlichen. Nach Anwendung dieser Korrekturen maß das Team die Fähigkeit des Detektors, zwischen verschiedenen Energieniveaus zu unterscheiden, eine Qualität, die als Energieauflösung bezeichnet wird. Im vollen Volumen des Detektors erreichten sie eine Auflösung von 4,37 Prozent. Wenn sie sich auf einen zentralen, gut funktionierenden Bereich des Detektors konzentrierten, der die Bedingungen ihres zukünftigen Hochdruckbetriebs nachbildet, verbesserte sich die Auflösung auf 4,16 Prozent.

Diese Zahlen sind signifikant, da sie anzeigen, dass der Detektor besser als seine Designziele arbeitet. Das Team berechnete, dass, falls sie nach der viel höheren Energie des neutrinolosen Doppelbetazerfalls suchen würden, die bei etwa 2,458 Megaelektronenvolt liegt, die Leistung des Detektors auf eine Energieauflösung von etwa 0,5 Prozent skalieren würde. Dies liegt deutlich unter dem Schwellenwert von einem Prozent, der erforderlich ist, um das seltene Signal effektiv vom Hintergrundrauschen zu trennen. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass der Detektor bemerkenswert stabil ist. Über einen Zeitraum von drei Monaten blieben die Sensoren und das Gas im Inneren konsistent, wobei die Lichtausbeute um weniger als zwei Prozent variierte und die Reinheit des Gases hoch genug blieb, um den Elektronen zu ermöglichen, frei zu reisen, ohne verloren zu gehen.

Der Erfolg dieses ersten Durchlaufs mit dem NEXT-100-Detektor markiert einen entscheidenden Schritt nach vorn in der Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall. Indem sie bewiesen haben, dass die Maschine in der Lage ist, ihre eigene interne Landschaft mit solcher Präzision abzubilden und diese Leistung über die Zeit aufrechtzuerhalten, hat die Kollaboration die Technologie validiert, die für die nächste Phase des Experiments benötigt wird. Das Team plant, den Druck des Xenongases zu Beginn des Jahres 2026 auf sein volles Betriebsniveau zu erhöhen, zu dem Zeitpunkt, an dem der Detektor bereit sein wird, seine langfristige Suche nach dem seltenen Zerfall aufzunehmen. Für den Moment bestätigen die Daten, dass das Instrument nicht nur nach den richtigen Spezifikationen gebaut wurde, sondern auch mit der Stabilität und Klarheit funktioniert, die erforderlich ist, um potenziell eines der tiefgründigsten Geheimnisse des Universums zu enthüllen.