Abstract
The double beta decay of 136Xe to excited states of 136Ba (DBD-ES) has not yet been discovered experimentally. The experimental signature of such decays, one or two gamma rays following the beta signals, can be identified more effectively in a gaseous detector with the help of topological signatures. We have investigated key parameters of particle trajectories of DBD-ES with Monte Carlo simulation data of the proposed PandaX-III detector as an example. The background rates can be reduced by about one order of magnitude while keeping more than half of signals with topological analysis. The estimated half-life sensitivity of DBD-ES can be improved by 1.8 times to 4.1×1023 year (90% C.L.). Similarly, the half-life sensitivity of neutrinoless double beta decay of 136Xe to excited states of 136Ba can be improved by a factor of 4.8 with topological signatures.
Similar content being viewed by others
References
F. T. Avignone, S. R. Elliott, and J. Engel, Rev. Mod. Phys. 80, 481 (2008), arXiv: 0708.1033.
N. Ackerman, et al. (EXO Collaboration), Phys. Rev. Lett. 107, 212501 (2011), arXiv: 1108.4193.
A. Gando, et al. (KamLAND-Zen Collaboration), Phys. Rev. C 85, 045504 (2012), arXiv: 1201.4664.
J. Barea, J. Kotila, and F. Iachello, Phys. Rev. C 91, 034304 (2015), arXiv: 1506.08530.
M. A. Luty, Phys. Rev. D 45, 455 (1992).
E. Majorana, Nuovo. Cim. 14, 171 (1937).
X. Chen, et al. (PandaX-III Collaboration), Sci. China-Phys. Mech. Astron. 60, 061011 (2017), arXiv: 1610.08883.
J. N. Marx, and D. R. Nygren, Phys. Today 31, 46 (1978).
S. Cebrián, T. Dafni, E. Ferrer-Ribas, I. Giomataris, D. Gonzalez-Diaz, H. Gómez, D. C. Herrera, F. J. Iguaz, I. G. Irastorza, G. Luzon, A. Rodríguez, L. Segui, and A. Tomás, J. Inst. 8, P01012 (2013), arXiv: 1210.3287.
V. Álvarez, F. Aznar, F. I. G. M. Borges, D. Calvet, S. Cárcel, J. Castel, S. Cebrián, A. Cervera, C. A. N. Conde, T. Dafni, T. H. V. T. Dias, J. Díaz, F. Druillole, M. Egorov, R. Esteve, P. Evtoukhovitch, L. M. P. Fernandes, P. Ferrario, A. L. Ferreira, E. Ferrer-Ribas, E. D. C. Freitas, V. M. Gehman, A. Gil, I. Giomataris, A. Goldschmidt, H. Gómez, J. J. Gómez-Cadenas, D. González-Díaz, R. M. Gutiérrez, J. Hauptman, J. A. H. Morata, D. C. Herrera, F. J. Iguaz, I. G. Irastorza, M. A. Jinete, L. Labarga, A. Laing, A. L. Coguie, I. Liubarsky, J. A. M. Lopes, D. Lorca, M. Losada, G. Luzón, A. Marí, J. Martín-Albo, A. Martínez, G. Martínez-Lema, T. Miller, A. Moiseenko, J. P. Mols, F. Monrabal, C. M. B. Monteiro, F. J. Mora, L. M. Moutinho, J. M. Vidal, H. N. Luz, G. Navarro, M. Nebot-Guinot, D. Nygren, C. A. B. Oliveira, R. Palma, J. Pérez, J. L. P. Aparicio, J. Renner, L. Ripoll, A. Rodríguez, J. Rodríguez, F. P. Santos, J. M. F. Santos, L. Segui, L. Serra, D. Shuman, A. Simón, C. Sofka, M. Sorel, J. F. Toledo, A. Tomás, J. Torrent, Z. Tsamalaidze, J. F. C. A. Veloso, J. A. Villar, R. C. Webb, J. T. White, and N. Yahlali, J. Inst. 9, P03010 (2014), arXiv: 1311.3242.
S. Andriamonje, D. Attie, E. Berthoumieux, M. Calviani, P. Colas, T. Dafni, G. Fanourakis, E. Ferrer-Ribas, J. Galan, T. Geralis, A. Giganon, I. Giomataris, A. Gris, C. G. Sanchez, F. Gunsing, F. J. Iguaz, I. Irastorza, R. D. Oliveira, T. Papaevangelou, J. Ruz, I. Savvidis, A. Teixera, and A. Tomás, J. Inst. 5, P02001 (2010).
D. González-Díaz, et al. (NEXT Collaboration), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 804, 8 (2015), arXiv: 1504.03678.
S. Wang, J. Inst. 15, C03052 (2020), arXiv: 2001.01356.
H. Lin, D. Calvet, L. Chen, X. Chen, T. Dafni, C. Fu, J. Galan, K. Han, S. Hu, Y. Huo, I. G. Irastorza, X. Ji, X. Li, X. Li, J. Liu, H. Mirallas, D. Neyret, K. Ni, H. Qiao, X. Ren, S. Wang, S. Wang, Y. Yang, Y. Yuan, T. Zhang, and L. Zhao, J. Inst. 13, P06012 (2018), arXiv: 1804.02863.
O. A. Ponkratenko, V. I. Tretyak, and Y. G. Zdesenko, Phys. Atom. Nucl. 63, 1282 (2000), arXiv: nucl-ex/0104018.
S. Agostinelli, et al. (GEANT4 Collaboration), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 506, 250 (2003).
N. Abgrall, I. J. Arnquist, F. T. Avignone Iii, H. O. Back, A. S. Barabash, F. E. Bertrand, M. Boswell, A. W. Bradley, V. Brudanin, M. Busch, M. Buuck, D. Byram, A. S. Caldwell, Y. D. Chan, C. D. Christofferson, P. H. Chu, C. Cuesta, J. A. Detwiler, J. A. Dunmore, Y. Efremenko, H. Ejiri, S. R. Elliott, P. Finnerty, A. Galindo-Uribarri, V. M. Gehman, T. Gilliss, G. K. Giovanetti, J. Goett, M. P. Green, J. Gruszko, I. S. Guinn, V. E. Guiseppe, R. Henning, E. W. Hoppe, S. Howard, M. A. Howe, B. R. Jasinski, R. A. Johnson, K. J. Keeter, M. F. Kidd, O. Kochetov, S. I. Konovalov, R. T. Kouzes, B. D. LaFerriere, J. Leon, J. C. Loach, J. MacMullin, S. MacMullin, R. D. Martin, R. Massarczyk, S. Meijer, S. Mertens, M. L. Miller, J. L. Orrell, C. O’Shaughnessy, N. R. Overman, A. W. P. Poon, K. Pushkin, D. C. Radford, J. Rager, K. Rielage, R. G. H. Robertson, E. Romero-Romero, M. C. Ronquest, A. G. Schubert, B. Shanks, M. Shirchenko, K. J. Snavely, N. Snyder, D. Steele, A. M. Suriano, D. Tedeschi, J. E. Trimble, R. L. Varner, S. Vasilyev, K. Vetter, K. Vorren, B. R. White, J. F. Wilkerson, C. Wiseman, W. Xu, E. Yakushev, C. H. Yu, V. Yumatov, and I. Zhitnikov, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 828, 22 (2016), arXiv: 1601.03779.
E. Aprile, K. Arisaka, F. Arneodo, A. Askin, L. Baudis, A. Behrens, K. Bokeloh, E. Brown, J. M. R. Cardoso, B. Choi, D. Cline, S. Fattori, A. D. Ferella, K. L. Giboni, A. Kish, C. W. Lam, J. Lamblin, R. F. Lang, K. E. Lim, J. A. M. Lopes, T. Marrodán Undagoitia, Y. Mei, A. J. Melgarejo Fernandez, K. Ni, U. Oberlack, S. E. A. Orrigo, E. Pantic, G. Plante, A. C. C. Ribeiro, R. Santorelli, J. M. F. dos Santos, M. Schumann, P. Shagin, A. Teymourian, D. Thers, E. Tziaferi, H. Wang, C. Weinheimer, M. Laubenstein, and S. Nisi, Astroparticle Phys. 35, 43 (2011), arXiv: 1103.5831.
J. Boger, et al. (SNO Collaboration), Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 449, 172 (2000).
D. S. Akerib, et al. (LZ Collaration), arXiv: 1509.02910.
J. Castel, S. Cebrián, I. Coarasa, T. Dafni, J. Galán, F. J. Iguaz, I. G. Irastorza, G. Luzón, H. Mirallas, A. Ortiz de Solórzano, and E. Ruiz-Chóliz, Eur. Phys. J. C 79, 782 (2019), arXiv: 1812.04519.
A. Tomas, Development of Time Projection Chambers with Micromegas for Rare Event Searches, Dissertation for Doctoral Degree (Universidad de Zaragoza, Zaragoza, 2013).
J. Galan, X. Chen, H. Du, C. Fu, K. Giboni, F. Giuliani, K. Han, B. Jiang, X. Ji, H. Lin, Y. Lin, J. Liu, K. Ni, X. Ren, S. Wang, S. Wu, C. Xie, Y. Yang, T. Zhang, L. Zhao, S. Aune, Y. Bedfer, E. Berthoumieux, D. Calvet, N. Hose, E. Ferrer-Ribas, F. Kunne, B. Manier, D. Neyret, T. Papaevangelou, L. Chen, S. Hu, P. Li, X. Li, H. Zhang, M. Zhao, J. Zhou, Y. Mao, H. Qiao, S. Wang, Y. Yuan, M. Wang, Y. Chen, A. N. Khan, J. Tang, W. Wang, H. Chen, C. Feng, J. Liu, S. Liu, X. Wang, D. Zhu, J. F. Castel, S. Cebrián, T. Dafni, I. G. Irastorza, G. Luzón, H. Mirallas, X. Sun, A. Tan, W. Haxton, Y. Mei, C. Kobdaj, and Y. Yan, J. Phys. G-Nucl. Part. Phys. 47, 045108 (2020), arXiv: 1903.03979.
A. Hoecker, P. Speckmayer, J. Stelzer, J. Therhaag, E. von Toerne, H. Voss, M. Backes, T. Carli, O. Cohen, A. Christov, D. Dannheim, K. Danielowski, S. Henrot-Versille, M. Jachowski, K. Kraszewski, A. Krasznahorkay Jr., M. Kruk, Y. Mahalalel, R. Ospanov, X. Prudent, A. Robert, D. Schouten, F. Tegenfeldt, A. Voigt, K. Voss, M. Wolter, and A. Zemla, arXiv: physics/0703039.
R. Brun, and F. Rademakers, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 389, 81 (1997).
G. J. Feldman, and R. D. Cousins, Phys. Rev. D 57, 3873 (1998), arXiv: physics/9711021.
J. B. Albert, et al. (EXO-200 Collaboration), Phys. Rev. C 93, 035501 (2016), arXiv: 1511.04770.
P. Pirinen, and J. Suhonen, Phys. Rev. C 91, 054309 (2015).
Y. Yung-Ruey, A Search for the Double-Beta Decay of Xe-136 to an Excited State of Ba-136 with EXO-200, Dissertation for Doctoral Degree (University of Maryland, College Park, 2013).
K. Asakura, A. Gando, Y. Gando, T. Hachiya, S. Hayashida, H. Ikeda, K. Inoue, K. Ishidoshiro, T. Ishikawa, S. Ishio, M. Koga, S. Matsuda, T. Mitsui, D. Motoki, K. Nakamura, S. Obara, M. Otani, T. Oura, I. Shimizu, Y. Shirahata, J. Shirai, A. Suzuki, H. Tachibana, K. Tamae, K. Ueshima, H. Watanabe, B. D. Xu, H. Yoshida, A. Kozlov, Y. Takemoto, S. Yoshida, K. Fushimi, T. I. Banks, B. E. Berger, B. K. Fujikawa, T. O’Donnell, L. A. Winslow, Y. Efremenko, H. J. Karwowski, D. M. Markoff, W. Tornow, J. A. Detwiler, S. Enomoto, and M. P. Decowski, Nucl. Phys. A 946, 171 (2016).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding authors
Additional information
This work was supported by the National Key R&D Program of China (Grant No. 2016YFA0400300), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11775142, and 11905127), and the Chinese Academy of Sciences Center for Excellence in Particle Physics (CCEPP). We thank Dr. Damien Neyret and Dr. Yann Bedfer for the fruitful discussion.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Xie, C., Ni, K., Han, K. et al. Enhanced search sensitivity to the double beta decay of 136Xe to excited states with topological signatures. Sci. China Phys. Mech. Astron. 64, 261011 (2021). https://doi.org/10.1007/s11433-020-1693-6
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-020-1693-6