Radon-induced backgrounds in the NEXT-100 experiment

Il primo run a basso fondo dell'esperimento NEXT-100 ha permesso di quantificare i contributi delle radon-induced backgrounds, rivelando un'attività interna di $^{222}$Rn e un indice di fondo nella regione di interesse del doppio decadimento beta senza neutrini che, dopo l'applicazione di selezioni topologiche, risulta di un ordine di grandezza inferiore alle attese totali, confermando l'efficacia del sistema di abbattimento del radon del Laboratorio Sotterraneo di Canfranc.

L'essenziale

🕵️‍♂️ NEXT-100: Caccia al "Fantasma" senza essere disturbati dai "Rumori"

Immagina di voler ascoltare il sussurro più debole del mondo (un evento rarissimo chiamato decadimento doppio beta senza neutrini) in una stanza piena di gente che parla forte. Se non riesci a isolarti dal rumore, non sentirai mai quel sussurro.

Il NEXT-100 è un esperimento scientifico enorme, situato sotto una montagna in Spagna (nel Laboratorio Sotterraneo di Canfranc), che usa un "serbatoio" di gas Xenon pressurizzato come microfono ultra-sensibile. Il suo obiettivo è catturare quel sussurro cosmico.

Ma c'è un problema: il gas e l'aria intorno al serbatoio contengono un "rumore" invisibile e fastidioso chiamato Radon. Il Radon è un gas radioattivo naturale che, come un bambino irrequieto, si muove, si attacca alle pareti e crea confusione, imitando il segnale che stiamo cercando.

Questo articolo racconta come gli scienziati del progetto NEXT-100 hanno misurato questo "rumore" e scoperto come tenerlo sotto controllo.

1. Il Nemico: Il Radon (Il "Poliziotto" che fa confusione)

Il Radon è come un gas invisibile che esce dalle rocce e dai materiali. Quando decade, rilascia delle particelle che possono essere confuse con il segnale che cerchiamo.

• Radon Interno: È come se il gas stesso o le pareti del serbatoio avessero una "polvere" radioattiva che si stacca e cade sul fondo (il catodo).
• Radon Esterno: È come se l'aria fuori dal serbatoio (ma dentro la stanza di protezione) fosse piena di questo gas, che cerca di entrare attraverso le pareti.

2. L'Esperimento: Due modi per ascoltare

Gli scienziati hanno fatto due tipi di "ascolto" per capire quanto rumore c'era:

• Il "Test del Radon Alto" (Periodo A1): Hanno fatto circolare il gas attraverso un filtro "freddo" che, paradossalmente, rilascia molto radon. È come se avessero aperto tutte le finestre in una stanza polverosa per vedere quanto polvere si deposita. Hanno visto un sacco di eventi (rumore).
• Il "Test del Radon Basso" (Periodo A2): Hanno usato un filtro "caldo" che pulisce il gas. È come se avessero spento l'aspirapolvere e pulito la stanza. Il rumore è diminuito drasticamente, ma non è sparito del tutto. Hanno scoperto che c'è ancora un po' di radon "intrinseco" (circa 1 Bq/m³), che è comunque molto basso.

La scoperta interessante: Hanno notato che il 93% del "radon cattivo" (i suoi figli, chiamati Bismuto-214) si attacca come una calamita alla superficie del catodo (il fondo del serbatoio), invece di rimanere fluttuante nel gas. È come se la polvere si fosse depositata tutta sul pavimento e non fosse più nell'aria.

3. Il Trucco Magico: La "Fotografia" dell'evento

Qui arriva la parte geniale. Il rivelatore NEXT-100 non è solo un microfono, è anche una macchina fotografica 3D super veloce.

• Quando il Radon decade, crea un "rumore" che assomiglia a una palla che rimbalza o a un'esplosione di particelle (un singolo elettrone o un gamma).
• Il segnale che cerchiamo (il decadimento doppio beta) assomiglia invece a due palline che partono dallo stesso punto e fanno due percorsi distinti (due tracce).

Gli scienziati hanno detto: "Se vediamo un evento con una sola traccia, lo scartiamo! È solo rumore. Se vediamo due tracce, allora è il nostro segnale!".
Grazie a questo trucco, hanno potuto eliminare il 99,9% del rumore causato dal Radon. È come se, in una stanza piena di gente che urla, tu potessi ignorare tutti tranne le coppie che si stanno sussurrando qualcosa a due a due.

4. Il Filtro dell'Aria (Il "Sistema di Pulizia")

Per il radon esterno (quello nell'aria della stanza), hanno usato un sistema chiamato RAS (Radon Abatement System).

• Senza il filtro (RAS OFF): L'aria della stanza aveva molto radon. Il rumore nel rivelatore aumentava quando l'aria esterna era più "sporca".
• Con il filtro (RAS ON): Hanno pompato aria purissima e priva di radon dentro la stanza. Risultato? Il rumore è crollato e non ha più seguito l'andamento dell'aria esterna.

È come se avessero messo un filtro dell'aria in una stanza polverosa: prima la polvere entrava, ora l'aria è cristallina.

5. Conclusione: Siamo pronti!

Il paper conclude con un messaggio molto positivo:

1. Il rumore interno del Radon è così basso e così ben filtrato dalle "fotografie" 3D che non disturberà la caccia al segnale raro.
2. Il rumore esterno è stato eliminato grazie al sistema di aria pulita.
3. Il "rumore di fondo" totale è dieci volte più basso di quanto ci si aspettava.

In sintesi: Gli scienziati hanno dimostrato che il loro "microfono" (NEXT-100) è in una stanza così silenziosa e pulita che, se il "fantasma" del decadimento doppio beta si farà sentire, loro lo sentiranno sicuramente, senza essere disturbati dal Radon. È un passo fondamentale per capire la natura dell'universo e della materia!

Sommario tecnico

1. Il Problema

L'esperimento NEXT-100, situato nel Laboratorio Subterraneo di Canfranc (LSC) in Spagna, ha come obiettivo principale la ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini ($0\nu\beta\beta$) utilizzando il gas Xenon-136 ($^{136}\text{Xe}$) ad alta pressione. La scoperta di questo processo proverebbe che i neutrini sono particelle di Majorana e fornirebbe informazioni sulla scala di massa assoluta dei neutrini.

Un ostacolo critico per la sensibilità di tale esperimento è il fondo radiogenico, in particolare quello indotto dal Radon ($^{222}\text{Rn}$ e $^{220}\text{Rn}$). Il radon è un gas nobile altamente diffusivo che può emanare dai materiali del rivelatore (fondo interno) o dall'aria circostante (fondo esterno).

• Il $^{222}\text{Rn}$ decade in una catena che include il $^{214}\text{Bi}$, il quale emette raggi gamma ad alta energia (fino a 3,18 MeV). In particolare, un gamma di 2,448 MeV si trova a soli 10 keV dal valore $Q_{\beta\beta}$ dello Xenon (2,458 MeV), rendendolo un fondo pericoloso se non adeguatamente discriminato.
• I prodotti di decadimento del radon (come $^{218}\text{Po}$ e $^{214}\text{Pb}$) tendono a depositarsi ("plate-out") sulle superfici cariche del rivelatore, come la catodica, creando sorgenti di fondo localizzate.

L'obiettivo del lavoro è quantificare e caratterizzare sia il fondo interno che quello esterno indotto dal radon per garantire che non compromettano la ricerca del $0\nu\beta\beta$.

2. Metodologia

Gli autori hanno condotto due campagne di acquisizione dati dedicate, operando il rivelatore NEXT-100 con gas Xenon impoverito dell'isotopo $^{136}\text{Xe}$ a una pressione ridotta di 3,95 bar (circa un quarto della pressione operativa nominale di 15 bar).

A. Rivelatore e Strumentazione

NEXT-100 è una Camera a Proiezione Temporale (TPC) elettroluminescente.

• Rilevazione: Utilizza la scintillazione primaria (S1) e la luce secondaria (S2) prodotta dagli elettroni di ionizzazione.
• Ricostruzione: La posizione 3D è ottenuta combinando i segnali dei Fotomoltiplicatori (PMT) per l'energia e del tempo, e dei Silicon Photomultipliers (SiPM) per la tracciatura topologica.
• Schermatura: Il rivelatore è protetto da un castello di piombo e da un'intercapedine di rame ultra-puro. Un sistema di abbattimento del radon (RAS) fornisce aria priva di radon all'interno del castello di piombo.

B. Campagne di Acquisizione

1. Run ad alta attività di Radon (A1): Il gas è stato ricircolato attraverso un getter freddo, noto per emanare grandi quantità di $^{222}\text{Rn}$. Questo periodo è stato utilizzato per caratterizzare lo spettro energetico e la distribuzione spaziale dei decadimenti alfa.
2. Run a bassa attività di Radon (A2): Il gas è stato purificato tramite un getter caldo, riducendo l'attività interna. Questo periodo ha permesso di misurare il livello di fondo intrinseco e irreducibile del rivelatore.
3. Run a basso fondo (E1 ed E2): Acquisizioni di eventi elettronici (simili a quelli del $0\nu\beta\beta$) per valutare l'impatto del radon atmosferico.
   • E1: RAS spento (aria del laboratorio con radon naturale, ~69 Bq/m³).
   • E2: RAS acceso (aria priva di radon, ~1 mBq/m³).

C. Analisi dei Dati

• Selezione Alfa: Identificazione dei decadimenti alfa tramite la forma d'onda S1/S2 e ricostruzione della posizione. È stato definito un volume fiduciale per escludere i decadimenti sulle pareti.
• Spettroscopia: Fitting degli spettri energetici per separare i picchi di $^{222}\text{Rn}$, $^{218}\text{Po}$ e $^{214}\text{Po}$.
• Simulazione Monte Carlo (MC): Utilizzo del software Nexus (basato su GEANT4) per simulare il decadimento del $^{214}\text{Bi}$ sulla catodica e calcolare l'efficienza di rigetto del fondo tramite tagli fiduciali e topologici (selezione di tracce a doppio elettrone).
• Correlazione: Analisi della correlazione tra la concentrazione di radon nell'aria del laboratorio e il tasso di eventi di fondo nel rivelatore.

3. Contributi Chiave e Risultati

Attività di Radon Interno

• È stata misurata un'attività interna di $^{222}\text{Rn}$ di $(0,95 \pm 0,04_{stat} \pm 0,09_{sist}) \text{ Bq/m}^3$ quando si utilizza il getter caldo.
• Non sono state osservate tracce di $^{220}\text{Rn}$.
• L'analisi dello spettro energetico ha confermato che la maggior parte dei progenitori del radon si deposita sulla superficie della catodica. Si stima che circa il 93% dei decadimenti del $^{214}\text{Bi}$ indotti dal radon avvenga sulla superficie della catodica.
• Il tasso totale di decadimenti del $^{214}\text{Bi}$ sulla catodica è stato stimato in $(0,97 \pm 0,05_{stat} \pm 0,10_{sist}) \text{ Hz}$.

Impatto sul Fondo nella Ricerca $0\nu\beta\beta$

• Dopo l'applicazione dei tagli fiduciali (eventi completamente contenuti nel volume attivo), il tasso di fondo residuo per energie superiori a 400 keV è di $(0,26 \pm 0,03_{stat} \pm 0,03_{sist}) \text{ mHz}$.
• L'Indice di Fondo (Background Index - BI) nella regione di interesse (ROI) tra 2,4 e 2,5 MeV è stato calcolato come:
  $$(7,3 \pm 1,5_{stat} \pm 0,8_{sist}) \times 10^{-4} \text{ counts/(keV·kg·yr)}$$
• Applicando una selezione topologica (richiedendo una singola traccia a doppio elettrone), l'indice di fondo viene ulteriormente ridotto a circa $4 \times 10^{-5} \text{ counts/(keV·kg·yr)}$.
• Questo valore è un ordine di grandezza inferiore all'aspettativa totale di fondo radiogenico per NEXT-100 ($4 \times 10^{-4}$), dimostrando che il radon interno non sarà un limite dominante.

Radon Atmosferico (Esterno)

• Durante il run E1 (RAS spento), il tasso di fondo fiduciale è stato di $(3,81 \pm 0,07) \text{ mHz}$, con una correlazione lineare positiva con la concentrazione di radon nell'aria del laboratorio.
• Durante il run E2 (RAS acceso), il tasso è sceso a $(2,90 \pm 0,04) \text{ mHz}$ ed è risultato stabile nel tempo, senza alcuna correlazione con le fluttuazioni del radon atmosferico.
• Si conclude che il sistema RAS riduce efficacemente il radon atmosferico, creando un ambiente virtualmente privo di radon all'interno del castello di piombo.

Osservazioni sulla Pressione

L'attività di radon misurata in NEXT-100 a 3,95 bar è significativamente più alta rispetto a quella misurata nel precedente esperimento NEXT-White (operato a 10,1 bar). Gli autori ipotizzano che la minore emanazione a pressioni più elevate sia dovuta ai gradienti di pressione che influenzano la diffusione del radon dai materiali. Se confermato, operare NEXT-100 alla pressione nominale di 15 bar potrebbe ridurre ulteriormente il fondo interno.

4. Significato e Conclusioni

Questo lavoro rappresenta una caratterizzazione fondamentale delle prestazioni di NEXT-100 prima dell'inizio della ricerca fisica principale con Xenon arricchito.

1. Validazione del Sistema di Mitigazione: Dimostra che il sistema di abbattimento del radon (RAS) è estremamente efficace, rendendo il fondo atmosferico trascurabile.
2. Gestione del Fondo Interno: Conferma che, anche con un'attività interna di radon misurata, la combinazione di tagli fiduciali e, soprattutto, di selezione topologica (basata sulla forma della traccia), riduce il fondo indotto dal $^{214}\text{Bi}$ a livelli ben al di sotto delle specifiche di sensibilità richieste per la scoperta del $0\nu\beta\beta$.
3. Prospettive Future: I risultati suggeriscono che l'operatività ad alta pressione (15 bar) potrebbe offrire un ulteriore vantaggio riducendo l'emanazione di radon dai materiali, migliorando ulteriormente il rapporto segnale/rumore.

In sintesi, NEXT-100 ha dimostrato di essere in grado di operare in un ambiente a bassissimo fondo, soddisfacendo i requisiti necessari per una ricerca competitiva del decadimento doppio beta senza neutrini.