Demonstrating topological identification capabilities of the NEXT experiment at low pressure

Resumen Técnico: Demostración de las capacidades de identificación topológica del experimento NEXT a baja presión

Problema y Contexto
El objetivo principal del programa NEXT (Neutrino Experiment with a Xenon TPC) es la detección de la doble beta sin neutrinos ($0\nu\beta\beta$) en $^{136}$Xe. Lograr esto requiere no solo una alta resolución de energía (sub-1% FWHM), sino también una supresión eficaz del fondo mediante la discriminación topológica. Aunque el demostrador anterior, NEXT-White, estableció las capacidades de la tecnología a 10 bar, el actual detector NEXT-100 está pasando por un proceso de comisionamiento y ejecuciones de física iniciales a una presión más baja de $\sim$4 bar (Ejecución de Baja Presión, LPR).

Operar a baja presión presenta desafíos específicos para la reconstrucción topológica. La menor presión resulta en trazas de partículas más largas, una reducción en la pérdida de energía específica y un aumento de la difusión, lo que altera la morfología de las trazas en comparación con las condiciones de alta presión (HPR). El artículo aborda la necesidad de validar el rendimiento topológico del detector en este régimen LPR y de establecer un método de discriminación de base que pueda ser mejorado en futuros análisis de alta presión.

Metodología
El análisis utiliza datos de ejecuciones de calibración de alta energía dedicadas al detector NEXT-100, empleando una fuente externa de $^{228}$Th. La cadena de desintegración del $^{228}$Th produce rayos gamma de 2615 keV, los cuales inducen la producción de pares ($e^+e^-$). Estos eventos se seleccionan como un sustituto (proxy) de las señales de $0\nu\beta\beta$ porque producen dos trazas de tipo electrón que se originan en un vértice compartido, imitando la topología de la señal de interés. El análisis se centra específicamente en los eventos del Pico de Doble Escape (DEP, por sus siglas en inglés) ($\sim$1593 keV), donde el positrón se aniquila y los fotones resultantes de 511 keV escapan del detector, dejando una topología distintiva de dos "blobs" (manchas).

La metodología consiste en los siguientes pasos:

1. Selección de Datos: Se aplica una serie de cortes de calidad para aislar eventos DEP bien reconstruidos, incluyendo cortes de volumen fiducial, un requisito de una sola traza reconstruida y un corte para eliminar trazas con blobs superpuestos.
2. Reconstrucción Topológica: Las trayectorias de las partículas cargadas se reconstruyen como "hits" 3D a partir de las formas de onda de los SiPM. Estos hits se agrupan en vóxeles y se conectan mediante un algoritmo de Búsqueda en Anchura (Breadth First Search) para formar trazas.
3. Identificación de Blobs: Para distinguir la señal (dos picos de Bragg) del fondo (un solo pico de Bragg), el algoritmo identifica los extremos de la traza como "blobs". El artículo introduce un algoritmo mejorado para determinar los centros de los blobs a baja presión. A diferencia de los métodos anteriores de radio fijo, este nuevo enfoque utiliza un "radio de escaneo" para identificar el vóxel que encapsula la máxima energía dentro de un "radio de blob" fijo, optimizando así la relocalización del centro para los blobs más grandes y difusos característicos de LPR.
4. Optimización: Se realiza un escaneo de parámetros sobre el radio del blob, el radio de escaneo y el tamaño del vóxel. Los parámetros óptimos se seleccionan maximizando una Figura de Mérito (FOM), definida como $FOM = e_i / \sqrt{b_i}$, donde $e_i$ es la eficiencia de la señal y $b_i$ es la aceptación del fondo después del $i$-ésimo corte.
5. Validación mediante Monte Carlo (MC): Se lleva a cabo un estudio de MC basado en GEANT4 para caracterizar los efectos teóricos de la presión en la topología de la traza (longitud, tamaño del blob, pérdida de energía específica) para proporcionar contexto a las observaciones basadas en datos.

Resultados Clave
El estudio demuestra con éxito las capacidades de discriminación topológica de NEXT-100 a $\sim$4 bar:

• Efectos de la Presión: Los estudios de MC confirman que a 4 bar, las trazas de electrones reales son aproximadamente 2.6 veces más largas y tienen un tamaño de blob aproximadamente 2.3 veces mayor que a 10 bar, con una pérdida de energía específica reducida por un factor de $\sim$3. Las observaciones de los datos se alinean cualitativamente con estas predicciones de MC.
• Rendimiento de Discriminación: Utilizando el método optimizado basado en cortes (específicamente un corte en la energía del segundo blob, $E_{blob2}$), el análisis logra:
  • Eficiencia de Señal: $75.6 \pm 1.9 \text{ (estat.)} ^{+3.4}_{-4.1} \text{ (sist.)} \%$ para trazas de doble electrón.
  • Aceptación de Fondo: $14.7 \pm 0.4 \text{ (est.)} ^{+0.7}_{-0.8} \text{ (sist.)} \%$ para trazas de electrón simple.
• Comparación: Estos resultados son consistentes con el rendimiento del detector NEXT-White a 10 bar, el cual alcanzó una eficiencia de señal de $71.6 \pm 1.5 \%$ y una aceptación de fondo de $20.6 \pm 0.4 \%$.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma presentar la primera validación del rendimiento topológico de NEXT-100 y el primer análisis topológico realizado a baja presión dentro del programa. La significancia principal radica en establecer un método de discriminación topológica de base basado en cortes para el detector NEXT-100. Esta base sirve como punto de referencia para todos los análisis futuros, contra el cual se compararán e implementarán técnicas más sofisticadas (como la deconvolución de trazas o redes neuronales convolucionales) en futuras ejecuciones de alta presión. Los resultados confirman que, a pesar de los desafíos únicos de la baja presión, el detector mantiene excelentes capacidades de discriminación topológica, validando la escalabilidad de la tecnología para futuros detectores de escala de tonelada.