On behalf of PandaX-III collaboration Shanghai Jiao Tong university High pressure 136Xe gas time projection chamber for neutrinoless double beta decay Haiyan Du On behalf of PandaX-III collaboration Shanghai Jiao Tong university 2018-10-14

Outline Backgrounds PandaX-III experiment detector design and performance: High pressure xenon gas TPC Prototype TPC and first results

Neutrinoless double beta decay Neutrinoless double beta decays are rare decay model of the nucleus. It refers to the process that the nucleus emits two electrons without neutrinos release. a demonstration of the nuclear double beta decay spectrum NDBD意味着中微子是其本身的反粒子，为马约拉纳费米子，可能揭示中微子质量极小的奥秘。同时也意味中轻子数守恒定律被破坏，可以为宇宙诞生初期物质和反物质的不对称性给出可能的解释 ，有重要的意义。

NDBD experiments Kamland-Zen 136Xe T1/2>1.07×1026 y (90% CL) GERDA CUORE 130TeO2 T1/2>1.5×1025 y (90% CL) M. Agostini et al. Int. J. Mod. Phys. A33 (2018) no.09, 1843004. 目前世界上有许多无中微子双贝塔衰变实验在开展，其中氙（136Xe）、碲（130Te）、锗（76Ge）是较为普遍的衰变物质选择。如KamLAND开展的基于液136Xe的实验，CUORE开展的基于130Te的低温量能计实验，还有GERDA开展的基于76Ge的实验。目前没有实验观测到无中微子双贝塔衰变的存在，对电子中微子有效质量的最佳限制由Kamland-Zen实验给出：在90%确信度下，136Xe的半衰期大于1.07×1026年[33]，即电子中微子有效质量小于61~165 meV。其他使用不同衰变元素的实验里最佳结果为（下述结果皆为90%确信度下）：CUORE实验报告130Te的半衰期大于1.5×1025年[37]，即有效质量小于140~400 meV；GERDA实验报告76Ge的半衰期大于8×1025年[35]，即有效质量小于103~327 meV。 这三项实验是基于液体或固体探测器的实验，只能从探测能谱中对无中微子双贝塔衰变事例进行辨别。无中微子双贝塔衰变的两个电子在其径迹末端会出现两个布拉格峰，因此若能重建粒子径迹再结合能谱将能提高对无中微子双贝塔衰变的探测效率。 4

PandaX-III experiment design for neutrinoless double beta decay PandaX-III concept to use High pressure xenon gas TPC building a ton scale 136Xe NLDBD experiment   The five PandaX-III 200 kg detectors in the water shield ，Water tank with a volume of 5000 m3 China Jin-Ping underground Laboratory Rock overburden of 2400 m NDBD是原子核非常稀有的衰变过程，因此实验需要在极低的本底环境下进行。PandaX-III实验将于锦屏地下实验室开展，锦屏地下实验室位于地下2400米处，是世界上最深的实验室，能有效地屏蔽宇宙射线，同时我们将探测器置于超纯净水中近一步屏蔽环境本底。PandaX-III采用高压气Xe时间投影室观察136Xe NDBD现象。探测器将工作在10bar气压下，可容纳200kg Xe-136目标同位素，同位素丰度为90%。设计中探测器对信号的探测效率达 35%，在Q值处的FWHM能量分辨率达3%。项目第一阶段将有一个探测器运行；第二阶段探测器个数将扩至5个，包含的目标同位素达吨量级。1m 长，1.5m的直径 Detector efficiency:35% Energy resolution 3% FWHM@Q value(2457.8keV)

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High pressure 136Xe gas time projection chamber the demonstration of a Time Projection Chamber   PandaX-III TPC 形状为直径为1.5m,长为2m的圆柱形，主要由位于探测器中间的高压极，围绕探测器的场笼及两端的信号读出平面组成。工作时于高压极加高压并在场笼的作用下形成垂直于读出平面均匀分布的电场。TPC腔室内为充满Xe-136和TMA的混合气体，电离粒子与腔室内的气体相互作用，电离出电子，电子在电场的作用下漂移向读出平面，在读出平面上产生投影，被读出平面收集记录。读出平面可记录电子位置，再结合电子的漂移时间便可以重构出原初粒子的三维径迹。 The preliminary design of the PandaX-III detector

Microbulk Micromegas Microbulk technology See Hushouyang’s talk Micromegas 基于Microbulk工艺制作而成，这种工艺主要采用光刻技术来加工传统的印刷电路。Micromegas 微网气体探测器为主要由Cu及聚酰亚胺构成的0.2mm厚的薄膜。 先在一个50微米后的聚酰亚胺膜的两面度上5微米后的Cu膜，然后在一面的Cu膜上采用光刻技术刻出电荷收集板。再贴上第二层单面度Cu的聚酰亚胺膜。采用光学与化学刻蚀生成表面网格结构，最后刻蚀聚酰亚胺生成Microbulk微网气体放大器的制造材料为放射性相对较低的铜与聚酰亚胺，使用的材料量也较少，因此其单位面积的放射性较低，这在极端稀有事件探测实验中具有优势。 小孔并清洗。 Micromegas 微网气体探测器为主要由Cu及聚酰亚胺构成的0.2mm厚的薄膜。使用中我们将Micromegas黏贴在一个Cu板上以提高其机械强度。 在显微镜下，可以看到Micromegas 的表面分布着密密麻麻的微孔，每个微孔的直径为50微米，电子由微孔进入Micromegas的倍增场，倍增场的深度也为50微米。倍增后的电子被Micromegas的读出条读出，在X及Y方向各分布着64个读出条。 film with thickness 0.2 mm；20cm x 20cm made from kapton & copper 11.2% energy resolution @5.95 keV The best one in MPGDs. ~3% energy resolution at Q of 136Xe NDBD (D.C.Herrera,Zaragoza)

Microbulk Micromegas 在显微镜下，可以看到Micromegas 的表面分布着密密麻麻的微孔，每个微孔的直径为50微米，电子由微孔进入Micromegas的倍增场，倍增场的深度也为50微米。倍增后的电子被Micromegas的读出条读出，在X及Y方向各分布着64个读出条。使用中我们将Micromegas黏贴在一个Cu板上以提高其机械强度。 The amplification hole is 50 μm in both depth and diameter Read out with 64 Y strips and 64 X stips

TPC-Charge readout plane Readout planes ：a tessellation Micromegas modules. Micromegas 我们的读出平面主要由Micromegas微网气体探测器构成。每个Micromegas 模块为20cm x 20cm方块，由Micromegas 模块按棋盘式排布组成我们的读出平面,，每面41块 Micromegas module with 20 cm×20 cm active area

Readout signal from Micromegas 由于实验低本底放射性的要求，来自Micromegas 的信号由PCB延长线引出，通过转接板连接到电子学，电子学对信号进行处理和数字话后发送到数据采集板，再由数据采集板发送给计算机。 我们的电子学系统由中科大的封常青老师提供，上午峰老师对此也做了报告。 电子学与数据采集系统被用于读取来自微网气体放大器的信号，它将模拟信号转化为数字信号后写入磁盘。 来自Micromegas 的信号通过PCB延长线与ZAP板被AGET芯片接受，通过AGET放大滤波成形后的信号由ADC转化为数字信号，然后数字信号被CoBo板打包储存在计算机磁盘中。ASAD板上的可编程门阵列（FPGA）控制着AGET芯片并将信号发送给后端的CoBo（Concentration Board）板。CoBo板用于控制和读取来自ASAD板上的信号，我们的电子学系统由中科大设计制作。 See Changqing Feng’s talk overview of the electronics system

TPC-Field cage Field cage pictures of acrylic mock-up field cage made of 8 interlocking side panels. 以特氟龙为支撑条，自上而下均匀分布着Cu环，Cu间连接电阻。 Field cage

Monte Carlo background simulation The raw background spectrum (stacked) from different parts of the detector and the water shielding system when the energy resolution of the detector is of 3% FWHM at Q. 通过基于蒙特卡罗（Monte-Carlo）方法的模拟我们研究了实验项目各个部分对本底噪声的贡献,在以目标 Q 值为中心的 100 keV 范围内，整个实验每年在探测器内产生的本底噪声数约为 2 个。 backgrounds from 232Th Backgrounds from 238U

Particle track Simulation 本底降低35倍，保持信号效率35%以上

Signal-background discrimination with convolution neural netwoks using MC simulation events from 241Bi NDBD events The background rejection efficiency See the Published articles 我们与北京大学合作，研究了深度卷积神经网络技术来区分不同粒子在气体探测器中的径迹特征, 这项工作在MC模拟中（有望）大幅提高了分辨效率。 图左：MC模拟得到的无中微子双贝塔衰变事例的径迹, 非常曲折蜿蜒 在这项研究工作中，生成了56万张无中微子双贝塔衰变的事例图片和56万张高能伽马本底的事例图片数据, 并利用了其中80%的图片来训练卷积神经网络模型 最终训练好的模型的信号本底的分辨能力相当优异, 从右图可以看出, 训练好的模型能够在足够高的本底排除效率情况下保持足够好的信号识别效率。其相对于PandaX-III实验设计的信号本底基准分辨能力提高了62%。

Sensitivity Analyze (Left) PandaX-III sensitivity (90% CL) to the half-life of 136Xe NDBD vs. live time. (Right) Effective Majorana mass sensitivity of PandaX-III with 3-year live time.

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Prototype TPC 我们目前已经建造了一个在10bar可容纳 20kg xe 的原型探测器。原型探测器的容积为600，有效体积为270 L探测器有效体积的直径为66厘米，其长度，即电子漂移距离为78厘米。原型机的体积约为 PandaX-III 200 kg探测器的七分之一。读出平面使用了7快Micromegas.

Gas system 探测器的气体系统用于气体混合、TPC充气、气体回收以及气体循环。包括阀门、流量计、气体纯化器、气压计、循环泵等都可以承受至少15 bar的气压。这套系统在项目之初是为PandaX-200 kg探测器设计的，目前能完全满足探测器原型机的需求。 在探测器运行的过程中由于其内部材料放气或外部气体渗入等原因工作气体 的纯度会不断下降，因此我们需要不断提纯工作气体 纯化气体，高压容器放气等原因需要纯化气体。主要去除H2O,O2,CO等，这些气体可吸附电子。因此使用一个循环系统对气体进行纯化是非常必要的。 其中一个由先普公司（SIMPure）生产的型号7NG稀有气体热纯化器用于纯氙气的提纯。由于它会去除工作气体中的三甲胺或异丁烷，所以我们另外安装了SAES HP190纯化器，该纯化器可在常温下工作，主要针对空气里的杂质气体。

Construct particle tracks 10 bar Xe-(0.75%)TMA Event from calibration source （a）放射源（b）环境中的gamma射线 (c)μ子 （d）高能电子径迹

Energy spectrum of 241Am events in 5 bar Xe+(1%)TMA. Gas: Xe, Ar-CO2, Ar-Isobutane, and Xe-TMA Gas pressure: 1~10bar Calibration sources: 241Am , 55Fe , 109Cd and 137Cs Energy spectrum of 241Am events in 5 bar Xe+(1%)TMA. Energy spectrum of the 241Am events in 1 bar Ar-(5%)isobutane. 用一个241Am放射源来标定探测器。放射源的活度为1.43×103 Bq，241Am被均匀的涂在一个Fe块上，有效面积为一个直径为4mm的圆，上面覆盖了0.2毫米厚的聚酰亚胺材料，所以放射源放出的几乎所有阿尔法粒子和部分贝塔粒子将被阻挡。我们将这个放射源当作低能区的伽马源使用。241Am原子核会衰变到子粒子237Np，放出能量为59.5 keV(衰变道概率35.9%)和26.3 keV（衰变道概率2.3%）的伽马射线。而子粒子237Np继续衰变将放出能量分别为13.9 keV、16.8 keV、17.8 keV和20.6 keV的伽马射线。在1 bar 氩气+（5%）异丁烷中，我们将放射源置于阴极平面上。（1块，Ar） 11.9% FWHM resolution at 17.8 keV 14.1% FWHM resolution at 59.5 keV. 2.19% FWHM at 2458 keV(Q value) is corresponding

Commissioning of 7 Micromegas 7 Micromegas modules have been installed to the TPC Filled with 10 bar Ar: Iso to benchmark its performance No leaks Drift and mesh HV are Okay. Checking bad strips and getting ready for data taking. 137Cs and 241Am gamma sources are installed in the TPC Run up to 10 bar of Xe+TMA Am Cs

Conclusions and perspectives PandaX-III uses high pressure gas TPCs to search for double beta decay of 136Xe 20-kg scale prototype TPC with 7 MM has been built and under commissioning, the first results were encouraging We were preparing for 10 bar Xe-TMA mixture (different TMA percentage) gas data taking with different calibration sources

Thanks for your attention!

Xenon（99%）+TMA（1%） Advantage for adding TMA into xenon: Xenon（90% 136Xe）: As an inert gas element, xenon can easily maintain purity in the detector Gaseous xenon has good compressibility relatively low cost of enrichment Advantage for adding TMA into xenon: higher gain at the same voltage, higher maximum gains, and better energy resolution low levels of electron diffusion 136Xe在自然氙中的丰度约为9%。如之前提到的，工作物质的原子序数与其对电子或光子的能量吸收能力成正相关。氙元素的高原子序数（54）让入射粒子与次级粒子更容易在时间投影室中将能量完全沉积。在收集并统计能量的探测器中，这一点至关重要。此外，激发态氙原子较短的退激发时间（纳秒至百纳秒[50]）让某些探测器可以通过探测光信号来标记事件的发生。 氙发作为惰性气体元素性质稳定，不易与其他物质生化学反应，能较容易地在探测器内保持纯度。氙元素的三相图如图2-3所示[60]。气态氙具有良好的可压缩性，在室温下可以达到数十个大气压而不液化，探测器获得足够的目标同位素量。 氙气作为空气分离厂的副产品产出。这些原因导致氙在无中微子双贝塔衰变物质中有较大的价格优势。目前在筹划中的下一代基于氙的探测器容量都在吨级别。世界上每年的自然氙气产量约为40吨，能生产的136Xe同位素小于4吨，若在未来想要制造十吨级的氙探测器，这将成为不可忽视的限制条件。 T-REX项目的实验组测量了氙气+三甲胺混合物在不同比分下的表现[64]，在他们的探测器中三甲胺占比为0.7%至1.3%时，探测器的增益与能量分辨率同时处于最佳区间这一现象被称为彭宁效应（Penning effect[63]），通过彭宁效应电离自由电子消耗的电离能要小于工作物质正常电离时的电离能，从而降低工作物质的W值