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

Diep in de subatomaire wereld bestaat er een zeldzame en mysterieuze gebeurtenis waar natuurkundigen al decennia naar op zoek zijn: de neutrinoloze dubbele bètaverval. Volgens de standaardregels van de natuur kunnen bepaalde atomen transformeren door twee elektronen en twee onzichtbare deeltjes die neutrino's worden uitgezonden. Echter, als een specif kind type neutrino bestaat—één die zijn eigen antideeltje is, bekend als een Majorana-deeltje—zou dit proces kunnen plaatsvinden zonder die neutrino's überhaupt vrij te laten. Het vinden van dit verval zou ons begrip van het universum herschrijven, door te bewijzen dat materie en antimaterie dieper met elkaar verbonden zijn dan we dachten. Om dit vluchtige evenement te vangen, hebben wetenschappers detectoren nodig met een enorme gevoeligheid en precisie, in staat om een enkel, zeldzaam signaal te onderscheiden van een zee van achtergrondruis. De uitdaging ligt niet alleen in het bouwen van een groot genoeg container, maar ook in het waarborgen dat elk minuscuul beetje vrijgekomen energie met perfecte helderheid wordt gemeten.

Een team van onderzoekers bekend als de NEXT-collaboratie werkt aan deze uitdaging met behulp van een gespecialiseerde detector gevuld met xenon-gas onder hoge druk. Hun nieuwste inspanning, het NEXT-100-experiment, is onlangs gestart met de eerste fase van de operatie diep onder de grond in het Laboratorio Subterráneo de Canfranc in Spanje. Deze faciliteit is ontworpen als een gigantische, driedimensionale camera die de paden van elektronen met ongelooflijk detail kan volgen. Het doel is om de detector uiteindelijk te vullen met een zware, verrijkte versie van xenon en te wachten tot het zeldzame verval plaatsvindt. Voordat ze echter aan die lange zoektocht kunnen beginnen, moeten ze bewijzen dat de machine precies werkt zoals bedoeld. In hun eerste grote rapport beschrijft het team hoe ze het zicht van de detector hebben getest met een veilige, kunstmatige energiebron om de prestaties in kaart te brengen en te verzekeren dat deze stabiel genoeg is voor de jaren aan gegevensverzameling die voor hen liggen.

Om de machine te testen, introduceerden de onderzoekers een kleine hoeveelheid van een radioactief gas genaamd krypton-83m in de met xenon gevulde kamer. Dit gas fungeert als een perfecte, bekende energiebron, die vervalt op een manier die een precieze, minuscule uitbarsting van energie vrijgeeft die gelijk is aan 41,5 kiloelektronvolt. Omdat deze energie zo laag en consistent is, dient het als een betrouwbare liniaal waartegen de detector kan worden gemeten. Terwijl de kryptonatomen door het hele volume van de detector vervallen, creëren ze lichtflitsen die worden opgevangen door twee verschillende sets sensoren. Eén set sensoren, geplaatst aan één uiteinde van de cilinder, meet de totale hoeveelheid licht om de energie van het evenement te bepalen. De andere set sensoren, een rooster van kleine lichtsensoren aan de tegenoverliggende zijde, legt de vorm en positie van het licht vast om exact te reconstrueren waar het evenement in drie dimensies plaatsvond. Door miljoenen van deze gebeurtenissen te analyseren, kon het team een gedetailleerde kaart maken van hoe de detector reageert op energie op elk enkel punt binnen de kamer.

De resultaten van deze initiële kalibratie waren zeer bemoedigend. De onderzoekers ontdekten dat de respons van de detector niet perfect uniform was; de hoeveelheid verzamelde licht varieerde licht afhankelijk van waar het evenement plaatsvond, beïnvloed door de geometrie van de kamer en het gedrag van de elektronen terwijl ze door het gas driften. Echter, door de gegevens van de krypton-vervallen te gebruiken om een correctiekaart te maken, waren zij in staat de metingen aan te passen en het zicht van de detector uniform te maken over het gehele volume. Na het toepassen van deze correcties mat het team het vermogen van de detector om tussen verschillende energieniveaus te onderscheiden, een kwaliteit die bekend staat als energie-resolutie. In het volledige volume van de detector bereikten zij een resolutie van 4,37 procent. Wanneer zij zich concentreerden op een centraal, goed functionerend gebied van de detector dat de condities van hun toekomstige bedrijf onder hoge druk nabootst, verbeterde de resolutie naar 4,16 procent.

Deze cijfers zijn significant omdat ze aangeven dat de detector beter presteert dan de beoogde ontwerptargets. Het team berekende dat als zij zouden zoeken naar de veel hogere energie van de neutrinoloze dubbele bètaverval, die ongeveer 2,458 megaelektronvolt bedraagt, de prestaties van de detector zou opschalen naar een energieresolutie van ongeveer 0,5 procent. Dit ligt ruim onder de drempel van één procent die vereist is om het zeldzame signaal effectief te scheiden van de achtergrondruis. Bovendien toonde de studie aan dat de detector opmerkelijk stabiel is over de tijd. Gedurende een periode van drie maanden bleven de sensoren en het gas in de kamer consistent, waarbij de lichtopbrengst met minder dan twee procent varieerde en de zuiverheid van het gas hoog genoeg bleef om elektronen vrij te laten reizen zonder dat ze verloren gaan.

Het succes van deze eerste run met de NEXT-100-detector markeert een cruciale stap voorwaarts in de zoektocht naar neutrinoloze dubbele bètaverval. Door te bewijzen dat de machine zijn eigen interne landschap met dergelijke precisie in kaart kan brengen en die prestaties over de tijd kan handhaven, heeft de samenwerking de technologie gevalideerd die nodig is voor de volgende fase van het experiment. Het team plant om de druk van het xenon-gas te verhogen naar het volledige operationele niveau in het begin van 2026, waarna de detector klaar zal zijn om de langdurige zoektocht naar het zeldzame verval te beginnen. Voor nu bevestigen de gegevens dat het instrument niet alleen gebouwd is volgens de juiste specificaties, maar ook functioneert met de stabiliteit en helderheid die vereist zijn om potentieel een van de meest diepgaande geheimen van het universum te ontrafelen.