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Muon veto system for the CROSS double-beta decay search experiment

Este artículo detalla el diseño, la construcción y la validación de un sistema de veto de muones de nueve sectores para el experimento CROSS en el laboratorio subterráneo de Canfranc, demostrando su capacidad para reducir el fondo inducido por muones en la región de interés a un nivel aceptable para las búsquedas de doble beta cero sin neutrinos, a pesar de un tiempo muerto del 18%.

Autores originales: A. S. Barabash, L. Bergé, M. Buchynska, J. M. Calvo-Mozota, A. Candela, P. Carniti, M. Chapellier, D. Cintas, A. Corsi, I. Dafinei, F. A. Danevich, M. De Deo, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Giuliani, C. Go

Publicado 2026-07-28

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CC BY 4.0

Autores originales: A. S. Barabash, L. Bergé, M. Buchynska, J. M. Calvo-Mozota, A. Candela, P. Carniti, M. Chapellier, D. Cintas, A. Corsi, I. Dafinei, F. A. Danevich, M. De Deo, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Giuliani, C. Gotti, P. Gras, A. Ianni, V. V. Kobychev, S. I. Konovalov, P. Loaiza, P. de Marcillac, S. Marnieros, C. A. Marrache-Kikuchi, M. Martinez, C. Nones, E. Olivieri, A. Ortiz de Solórzano, V. Perez, G. Pessina, D. V. Poda, B. Romualdi, Ph. Rosier, R. Serino, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, G. Ursini, M. M. Zarytskyy, A. Zolotarova

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La lluvia cósmica y la búsqueda silenciosa

Imagina que el universo está bajo una lluvia constante. Pero en lugar de agua, es una tormenta de partículas invisibles y superrápidas llamadas muones cósmicos, que atraviesan el espacio casi a la velocidad de la luz. Estas partículas son como pequeñas balas fantasmales que pueden atravesar montañas, edificios e incluso tu propio cuerpo sin que sientas nada. Para la mayoría de nosotros, esto es solo ruido de fondo. Pero para un grupo especial de científicos que buscan uno de los mayores misterios de la física, esta lluvia es un problema masivo.

Están buscando un evento raro llamado "desintegración doble beta sin neutrinos". Piensa en ello como intentar escuchar un único y perfecto susurro en medio de un estadio rugiente. El "susurro" es un tipo específico de desintegración atómica que podría demostrar que los neutrinos son sus propias antipartículas, un descubrimiento que reescribiría las leyes de la física y explicaría por qué existe el universo. Para escuchar este susurro, los científicos construyen detectores ultrasensibles en lo profundo del subsuelo para bloquear el ruido. Sin embargo, incluso en lo profundo del subsuelo, la "lluvia cósmica" sigue siendo lo suficientemente intensa como para ahogar el susurro. Si un muón cósmico golpea el detector, crea un estruendo que se ve exactamente igual al susurro que están cazando. Para resolver esto, los científicos necesitan una forma de detectar los muones en el momento en que llegan y decirle instantáneamente a sus detectores: "¡Ignora ese ruido! ¡Es solo un muón!". Esta es la historia de cómo construyeron un paraguas gigante y de alta tecnología para atrapar la lluvia cósmica.

Capturando a los fantasmas: El nuevo escudo del experimento CROSS

El artículo que estás leyendo detalla la creación y prueba de un "sistema de veto de muones" para un experimento llamado CROSS, que se está instalando en un laboratorio profundo bajo tierra en España. El equipo de CROSS se prepara para cazar esa esquiva desintegración doble beta sin neutrinos utilizando cristales hechos de un material especial llamado molibdato de litio. Debido a que la montaña sobre su laboratorio no es lo suficientemente gruesa como para detener todos los muones cósmicos (todavía hay unos 20 muones golpeando cada metro cuadrado cada hora), necesitaban un escudo hecho a medida para actuar como un portero para su experimento.

Construyendo el paraguas
Los científicos diseñaron una gigantesca jaula tridimensional alrededor de su delicado equipo criogénico. Imagina una habitación donde viven los detectores; el equipo construyó una pared de sensores alrededor de los lados, un suelo de sensores debajo y un techo de sensores arriba.

Las paredes (sectores laterales): Utilizaron cuatro secciones curvas hechas de 28 largas barras transparentes de plástico (poliestireno) envolviendo el detector. Cuando un muón atraviesa estas barras, produce un pequeño destello de luz, que es captado por ojos supersensibles llamados fotomultiplicadores de silicio (SiPM).
El suelo (sectores inferiores): Se colocaron cuatro secciones más de barras de plástico debajo del detector para captar los muones que vienen desde abajo.
El techo (sectores superiores): Se colocaron dos paneles grandes con tubos de detección de luz tradicionales (PMT) en el techo de la caseta para captar los muones que vienen desde arriba.

En total, este sistema tiene nueve sectores diferentes que pueden actuar como disparadores independientes. Si un muón activa cualquiera de estos sectores, el sistema grita "¡MUÓN!" y le dice a los detectores principales que ignoren cualquier señal que ocurra en el mismo instante.

La simulación y la estrategia
Antes de construir el objeto real, el equipo utilizó potentes simulaciones por computadora (como un videoj actually para la física) para determinar la mejor manera de configurar sus sensores. Descubrieron un problema complicado: si solo buscaban muones que golpearan dos sectores diferentes a la vez, perderían demasiados. Es como intentar atrapar a un ladrón solo si dos guardias de seguridad distintos lo ven al mismo tiempo; el ladrón podría escaparse si solo un guardia lo ve.

Las simulaciones mostraron que, para capturar el 99.7% de los muones, debían ser más agresivos. Decidieron activar el veto si cualquier sector individual detectaba un muón. Esta es una regla muy estricta. Significa que si incluso una pequeña barra de plástico en el techo o el suelo recibe un golpe, todo el sistema cierra los detectores principales durante una fracción de segundo mínima. El artículo señala que esta rigidez conlleva un costo: crea un "tiempo muerto" de aproximadamente el 18%. Esto significa que el experimento está "ciego" durante aproximadamente el 18% del tiempo porque está ocupado ignorando el ruido de los muones. Sin embargo, la compensación vale la pena porque reduce el ruido de fondo en el rango de energía crítico (alrededor de 3 MeV) a un nivel de aproximadamente 0.002 cuentas por keV por kg por año. Este nivel de ruido tan bajo es esencial para que el experimento tenga la oportunidad de encontrar la rara desintegración.

Probando el sistema
El equipo no se limitó a los juegos de computadora; construyeron el sistema y lo probaron en el laboratorio real bajo tierra. Instalaron las barras de plástico y la electrónica y realizaron un "ensayo general" utilizando dos módulos de detección de alto rendimiento (tomados prestados de un experimento anterior llamado CUPID-Mo). Enfriaron estos detectores a una temperatura más fría que el espacio exterior (20 milikelvin) y los observaron durante cientos de horas.

Los resultados fueron un éxito. El sistema operó de manera estable, con los sensores disparándose a las tasas que sus simulaciones por computadora predijeron. Cuando analizaron los datos, inicialmente encontraron que el veto de muones identificó y rechazó entre el 71% y el 75% de los eventos inducidos por muones que de otro modo habrían parecido la señal que estaban buscando. Sin embargo, descubrieron un pequeño fallo técnico durante la prueba: un "bit de disparo" específico en la electrónica había sido desactivado temporalmente. Una vez corregido este problema, la eficiencia saltó aproximadamente al 85-90%, coincidiendo casi perfectamente con sus modelos computacionales.

Lo que esto significa
El artículo concluye que el sistema de veto de muones de CROSS está listo para el evento principal. Al utilizar una lógica de disparo de "sector único" (donde cualquier impacto cuenta), han construido un escudo que puede filtrar la gran mayoría del ruido cósmico, aunque esto signifique que el experimento tenga que hacer una pausa más de lo habitual. Esta configuración permite que el experimento CROSS alcance los niveles de fondo ultra bajos requeridos para buscar la desintegración doble beta sin neutrinos. El equipo ha demostrado que su "paraguas" funciona, y ahora están seguros de que cuando el experimento completo se ejecute, podrán escuchar ese susurro cósmico sin que sea ahogado por la lluvia.

Resumen Técnico: Sistema de Veto de Muones para el Experimento de Búsqueda de Doble Beta Sin Neutrinosos (0νββ) CROSS

Planteamiento del Problema
La colaboración CROSS (Cryogenic Rare event Observatory with Surface Sensitivity) se prepara para un experimento de alta sensibilidad destinado a la búsqueda de la desintegración doble beta sin neutrinosos ( $0\nu\beta\beta$ ) del $^{100}$ Mo mediante detectores criogénicos con lectura de calor-centelleo. El experimento se ubica en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc (LSC) en España. Aunque las instalaciones subterráneas profundas suelen suprimir el flujo de muones cósmicos, la topografía específica del sitio del LSC —específicamente un valle (Rioseta) con una profundidad de roca mínima de $\sim$ 200 m— resulta en un flujo de muones cósmicos residual relativamente alto de aproximadamente 20 $\mu$ /m $^2$ /h. Este flujo crea un fondo dominante en la región de interés (ROI) alrededor del valor $Q$ de la desintegración del $^{100}$ Mo ( $\sim$ 3.0 MeV). Sin mitigación, las partículas secundarias inducidas por muones abrumarían la señal, limitando la sensibilidad del experimento.

Metodología
Para abordar este fondo, los autores diseñaron, construyeron y validaron un sistema de veto de muones dedicado que rodea la instalación criogénica de CROSS. La metodología involucró tres fases primarias:

Diseño y Construcción del Sistema:
El sistema de veto consta de nueve sectores: cuatro laterales, uno superior y cuatro inferiores.
- Sectores Laterales e Inferiores: Construidos a partir de barras de centelleo de poliestireno (120 $\times$ 4 $\times$ 1 cm para laterales; 52 $\times$ 4 $\times$ 1 cm para el inferior) acopladas a Fotomultiplicadores de Silicio (SiPMs). Estos se disponen en 28 módulos para los sectores laterales y 15 módulos para los sectores inferiores.
- Sector Superior: Consiste en dos paneles grandes (100 $\times$ 50 $\times$ 1 cm) leídos por Tubos Fotomultiplicadores (PMTs) convencionales.
- Electrónica y DAQ: El sistema utiliza una cadena de procesamiento de señales personalizada que incluye amplificadores de SiPM, placas discriminadoras y una unidad lógica que opera en modo OR. Un controlador Raspberry Pi gestiona los voltajes de polarización y los umbrales para cada canal. La lógica de disparo (trigger) se optimizó para operar en dos modos: una coincidencia de dos cualesquiera de los sectores o un disparo de un solo sector. La estrategia final adoptada utiliza un disparo de un solo sector para maximer la el rechazo de fondo.
Simulaciones de Monte Carlo (MC):
Utilizando Geant4 v11.1, los autores simularon las interacciones de los muones dentro de la geometría del montaje de CROSS. Las simulaciones incorporaron:
- Distribuciones angulares realistas de los muones basadas en mediciones del LSC (con picos en un ángulo cenital de 40 $^\circ$ y azimut de 150 $^\circ$ ).
- Cálculos de profundidad de trayectoria (slant depth) que tienen en cuenta el perfil del valle.
- Espectros de energía iniciales derivados de datos de superficie.
- Tres geometrías de detector: una torre de prueba de 10 cristales, una torre de dos módulos de CUPID-Mo y el arreglo completo de 42 cristales de CROSS.
  Las simulaciones tenían como objetivo validar la eficiencia del veto y optimizar los umbrales de energía para equilibrar el rechazo de fondo con el tiempo muerto (dead time).
Validación Experimental:
Antes del experimento completo de CROSS, el sistema fue probado durante el "RUN 13" utilizando dos módulos de alto rendimiento de CUPID-Mo (LMO-5 y LMO-12) dentro del criostato de CROSS. El estudio involucró:
- Calibración de los umbrales de los módulos de veto utilizando una fuente de $^{60}$ Co.
- Caracterización de las tasas de fondo en los módulos de veto para establecer umbrales de energía homogéneos.
- Medición de coincidencias entre los detectores térmicos y el veto de muones durante 555 horas de datos de fondo.
- Comparación de las tasas de rechazo experimentales con las predicciones de MC.

Contribuciones Clave y Resultados

Implementación del Sistema: El artículo detalla la construcción exitosa de un sistema de veto de muones de 9 sectores capaz de detectar muones con alta eficiencia. El sistema opera con una tasa de disparo promedio estable compatible con las simulaciones de MC.
Optimización de la Lógica de Disparo: Los estudios de MC demostraron que una lógica de disparo que requiere coincidencias entre dos sectores rechaza el 99.2% de los eventos inducidos por muones en la ROI. Sin embargo, una lógica de disparo de un solo sector (que rechaza cualquier evento coincidente con cualquiera de los nueve sectores) aumenta el rechazo al 99.7%.
Reducción de Fondo: La estrategia adoptada de un solo sector introduce un tiempo muerto de aproximadamente el 18%. A pesar de esto, el sistema reduce el fondo inducido por muones en la ROI a $\sim$ 2 $\times$ 10 $^{-3}$ cuentas/keV/kg/año. Este nivel se considera aceptable para la búsqueda de alta sensibilidad de $0\nu\beta\beta$ .
Validación Experimental: Durante la corrida de validación con los módulos CUPID-Mo, el sistema de veto demostró un funcionamiento estable. El rechazo experimental de eventos tipo muón ( $E > 3$ MeV) se midió en 71% (corregido al 85% tras considerar un problema temporal del DAQ), lo cual se alinea bien con la predicción de la simulación del 88%. Para eventos con $E > 10$ MeV, el rechazo experimental fue del 75% (corregido al 90%), coincidiendo con el 89% de la simulación.
Rendimiento del Detector: La corrida de validación confirmó que la instalación criogénica de CROSS puede operar módulos CUPID-Mo con resoluciones de energía de $\sim$ 6–7 keV FWHM a 2615 keV, comparables a su rendimiento en la configuración de EDELWEISS.

Significancia
El artículo establece que un sistema de veto de muones es esencial para el éxito del experimento CROSS en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc debido a las restricciones geológicas específicas del sitio. Mediante la implementación de una lógica de disparo de un solo sector, la colaboración logra un índice de fondo lo suficientemente bajo como para proceder con una búsqueda competitiva de la desintegración $0\nu\beta\beta$ en $^{100}$ Mo. El trabajo valida el diseño, la construcción y la operación del sistema de veto y confirma, tanto mediante simulación como mediante datos experimentales, que el sistema puede suprimir eficazmente los fondos inducidos por muones al nivel requerido, a pesar del tiempo muerto asociado. Esta validación proporciona confianza para la puesta en marcha del arreglo completo de detectores de 42 cristales de CROSS.

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