[en] From all the particles conforming the universe, the most common and perhaps the most mysterious ones are neutrinos. Right now billions of these particles are passing through us without perceiving them, and detecting them requires huge detectors buried deep underground. First postulated by Wolfgang Pauli in 1930, they were named in 1934 as "small neutrons" by Enrico Fermi, alluding to two of their main characteristics: their small mass and their absence of electric charge. In the mid-70s, neutrinos were included in the Standard Model (SM) of particle physics under the premises of: lack of mass and electric charge, only affected by the nuclear weak force, the existence of 3 families with separately preserved leptonic numbers and to be neutrinos distinct from their antiparticles. However, experiments of neutrino oscillations carried out during the last few decades have shown that neutrinos have mass and mix, opening up a new field of physics beyond the SM. One way to accommodate these masses in the theory is that neutrinos could be Majorana particles that is, identical to their own antiparticles, as op- posed to the rest of fermions, and violate the conservation of leptonic numbers. If so, neutrinos could have relationship with the cosmic asymmetry of matter - antimatter via leptogenesis, and could be an elegant explanation of the smallness of their masses through the "see-saw" mechanism. Faced with this situation, it is easy to understand that nowadays neutrinos are a fashionable field of research, and many experiments worldwide try to shed light on their nature. The most sensitive method to establish the nature of neutrinos is the search for a hypothetical and extremely rare nuclear transition called double beta decay without emission of neutrinos (0νββ) in which a nucleus with atomic number Z and mass number A decays to a nucleus with atomic number Z + 2 emitting two electrons only: X (A,Z) → X (A,Z+2) + e− + e− Although the version of the process with neutrinos emission 2νββ has been observed and measured in several isotopes, the version without neutrinos has not been observed yet. The simplest physical mechanism describing the process is the virtual exchange of a Majorana neutrino, so that all the available energy in the decay (Qββ) is shared between the two electrons emitted. The imprint left by these electrons in the detector is the key signal of the process and therefore, the goal of any experiment aimed to its search. The half-life of this process will entail an indirect measurement of neutrino masses. Current experiments of ββ-decay searches have followed different technological approaches, looking for the best energy resolution and the lowest possible background activity to maximize their sensitivity. Among the most promising technologies are bolometers, TPCs, semiconductors and scintillators. Precisely to this last type belongs Kamland-ZEN, a japanese experiment that making use of 136Xe dissolved in liquid scintillator has established the highest limit to the decay half-life T0ν = 1.07 × 10^26 years. It is worth to note here how 1/2 unlikely the process is, with a half-life 17 orders of magnitude greater than the age of the universe itself, which makes its search a major technological and physical challenge. The NEXT collaboration proposes a detector called NEXT-100 for the search of 0νββ decays, whose sensitivity is the object of study of this thesis. It is an electroluminescent TPC containing 100 kg of xenon gas at 15 bar enriched at 91% for 136Xe, that will be operated at Canfranc Underground Laboratory. Xenon gas is an ideal medium as it presents a series of key characteristics for the search of ββ decays such as easy enrichment in 136Xe isotope, easy cleaning of impurities, presence of ionization and scintillation signals, intrinsic energy resolution better than 0.5% (FWHM at 2.5 MeV) and a very slow 2νββ decay mode. NEXT-100 sensor planes are dedicated and optimized for different functions. Electrons from the ββ-decay ionize and scintillate xenon at the same time. The scintillation light is read by the large size PMTs of the cathode to give a measure of the beginning of the event (t0). Ionization electrons drift towards the anode by the action of a moderate electric field (300 - 500 V cm−1) where they are accelerated by the effect of a stronger electric field. This acceleration generates electroluminescence light or secondary scintillation proportional to the number of arriving electrons. This new light is also read from the cathode to provide the measure of the total energy deposited in the detector. On the other side, the anode instrumented with SiPMs equispaced 1 cm between them, reconstructs the topology of registered events through the reading of the same electroluminescence light. This way, the signal of two-electrons originated from a single vertex with total deposited energy of 136Xe Qββ (2458 keV) corresponding to the 0νββ signal present a very characteristic morphology when being reconstructed by the detector. On one side, the anode provides the topological reconstruction of a single energy deposition in the form of a long track, with a constant density of energy deposition per unit of space, which presents areas of high-energy deposition at both extremes due to the Bragg peaks. The topological reconstruction is mainly affected by the diffusion of ionization electrons along the drift, the diffusion of electroluminescence light, and the sensors pitch. The expected spatial resolution is 10 and 5 mm for transverse and longitudinal components respectively. On the other side, the cathode provides a measure of the total energy deposited on the active volume which in case of our signal, it will be 2458 keV with an estimated energy resolution of 0.7% FWHM. Any event recorded in the detector capable of imitating the imprint left by the 0νββ signal is considered a background event and, as seen above, its minimization is key to maximize the sensitivity of the detector. The identification and evaluation of all of them under different circumstances is the main objective of this thesis. The main background sources for NEXT-100 are: • Natural radioactivity present in all components and materials of the detector. It's the most common source of background for these type of experiments. Especially damaging for NEXT-100 are the isotopes 208Tl and 214Bi from the thorium and uranium decay chains respectively, whose de-excitation gammas possess an energy close to Qββ and which may eventually present a topology similar to that of the signal. The selection of extremely radiopure components is therefore essential in the manufacture of rare-event searching detectors like ours. • Radon is also an intermediate product of the natural decay chains whose isotope 222Rn, with origin in the uranium and half-life of 3.8 years is particularly harmful. There are several mechanisms by which radon can produce background events: from laboratory air, from the pollution that can present xenon, and from the degassing of detector materials close the active volume. To mitigate these backgrounds, the LSC has purchased a system that reduces by 4 orders of magnitude the presence of radon in laboratory air; and eventually, if needed, radon traps to filter the xenon could be installed in the gas system. • Cosmogenic muons. A flux of 3 × 10^−6 cm^−2 s^−1 has been measured in LSC Hall A, with a theoretically estimated energy be- tween 220 and 245 GeV with high uncertainty. The muon passage through the detector creates a series of unstable nuclei and neutrons that generate electromagnetic cascades capable of generating background events. Initially, a scintillators system surrounding the detector is able to detect their passage, and by applying a dead time after the muon tag, discard the corresponding background. A second muon contribution comes from the xenon activation by secondary neutrons. The beta decay of 137Xe with a Q-value of 4173 keV introduces a number of events in our energy region of interest, which ultimately cannot be vetoed and must be taken into account in the detector background budget. • Neutrons are very penetrating particles capable of activating different isotopes in detector components or generating alphas and protons that can end up generating energetic gammas that finally can lead to background events. In the LSC, the highest percentage of neutrons originates from uranium and thorium contamination of lab rocks and the total measured flux is φHallA = 1.38 ± 0.14 × 10^−5 cm^−2 s^−1. Like muons, neutrons can also generate background through xenon activation. Luckily, neutrons are easily vetoed. There are commercial slabs of 20 cm thickness of boron-doped at 5% polyethylene, which reduce neutron flux by 3 orders of magnitude making their contribution to the background budget negligible. Part of the aim of this thesis is to simulate and evaluate the signal efficiency, the expected background activity from each source and type, and using this data, estimate the sensitivity of the detector. Simulations are Monte Carlo type, and they are based on GEANT4. The analysis consists of the sequential application of a series of algorithms and cut-offs to quantify the fraction of signal events and all kind of backgrounds that possess the energy and topologic pattern of the 0νββ decays. The main results obtained are summarized in a signal efficiency of 32% and a total expected background level of < 4.22 × 10^−4 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1, being the largest contribution the natural radioactivity present in both measurement planes. Thanks to these values, the NEXT-100 sensitivity after 5 years of data taking is T0ν = 9.85 × 10^25 years at 90% CL, which corresponds to an effective mass of Majorana neutrinos of 57 - 161 meV depending on the nu- clear matrix element (NME) used; yielding the best sensitivity limits published to date. Latest studies carried out within the collaboration allow an evolution of NEXT-100 detector to a high-definition version that improves the performance of the detector and the analysis response. The main improvements and their consequences are: • High spatial resolution. The addition of certain gases to xenon such as the CO2 or He allows the reduction of transversal and longitudinal diffusions to levels around 2 mm / sqrt (m) while maintaining the light yield. In practice, this improvement allows "to see" events in the detector in high-definition, what leads to better background discrimination based on their topological signature. • High energy resolution. The latest energy resolution measurements made in NEW for single-point events have reached a 0.5%, and we expect to be able to extend this resolution to larger events in the short term. This improvement allows for a linear reduction 208Tl and 137Xe backgrounds, and in a higher factor for 214Bi. • Deep Neural Networks. Preliminary studies carried out by the collaboration in the use of DNNs for topological discrimination of events have already shown a noticeable improvement over the standard analysis. It must be noted that there is a considerable room for improvement in the use of these novel techniques. The combination of these three improvements supposes a reduction of the expected background rate to 6.82 × 10^−5 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1 with a signal efficiency of 29%. The updated value of sensitivity at 90% CL after 5 years of data taking is T0ν = 1.48 × 10^26 years and an 1/2 effective mass of Majorana neutrinos of 47 - 131 meV. The total number of background counts expected after 5 years is 0.6, what makes NEXT- 100 high definition a background-free detector and therefore it can be scaled to the ton to be able to cover the full mass range corresponding to the inverse hierarchy (20 - 50 meV). The extrapolation of the NEXT high-definition technology to a tonne detector has been succinctly evaluated in present study. Although with some licenses in the future detector design, an estimate of the expected background rate yields an activity of 7.89 × 10^−6 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1. Such a low background figure allows a quasi-linear improvement of detector sensitivity with the increase of the isotope mass, yielding a new sensitivity after 5 years of data taking of T0ν = 1.34 × 10^27 years at 90% CL and an effective mass of Majorana neutrino of 12 - 33 meV and thus, completely covering the mass range of the inverse hierarchy. Finally, it is worth highlighting the efforts of the collaboration in the search for a method to identify the barium ions (Ba++) generated after xenon decays using single molecule fluorescence imaging technique widely used in bio-chemistry. In practice, it would suppose the elimination of all background types but 2νββ decays. This new scenario would imply the reduction of background rate to a residual level of ∼ 5 × 10^−9 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1 and at the same time, it would allow to increase the signal detection efficiency to 56%. After 5 years of data taking the reached sensitivity would be T0ν = 3.21 × 10^27 years at 90% CL and an effective mass of Majorana neutrinos of 10 - 28 meV, with a linear improvement of the T0ν sensitivity with the exposure. In the hypothetical case that neutrino masses followed the normal hierarchy rather than the inverse, the technologies needed to cover the corresponding range of masses (∼ 1 meV) must inexorably contemplate the "barium tagging".

[es] De todas las partículas que componen el universo, quizás la más común de ellas sea también la más misteriosa, el neutrino. Ahora mismo miles de millones de estas partículas nos atraviesan sin percibirlo, y detectar una sola de ellas necesita de enormes detectores enterrados a gran profundidad. Postuladas por primera vez por Wolfgang Pauli en 1930, fueron bautizadas en 1934 como "pequeños neutrones" por Enrico Fermi, aludiendo a dos de sus principales características: su pequeña masa y su ausencia de carga eléctrica. A mediados de los años 70, los neutrinos fueron incluidos en el Modelo Estándar bajo las premisas de: carecer de masa y carga eléctrica, experimentar únicamente la fuerza nuclear débil, ser los neutrinos distintos de sus antipartículas y la existencia de 3 familias con números leptónicos conservados por separado. Sin embargo, los experimentos de oscilaciones de neutrinos llevados a cabo durante las últimas décadas han demostrado que los neutrinos tienen masa y se mezclan, abriendo un nuevo campo en la física más allá del Modelo Estándar. Una de las maneras de acomodar estas masas en la teoría es que los neutrinos podrían ser partículas de Majorana, es decir, idénticas a sus antipartículas, al contrario que el resto de fermiones, y violar la conservación del número leptónico. De ser así, los neutrinos pudieran tener relación con la asimetría materia-antimateria del universo vía leptogénesis, así como ser una elegante explicación de la pequeñez de su masa a través del mecanismo "see-saw". Ante esta situación, es fácil entender que los neutrinos sean en la actualidad uno de los campos de moda de la investigación en física a nivel mundial y multitud de experimentos traten de arrojar luz sobre su naturaleza. El método más sensible para establecer la naturaleza de los neutrinos es la búsqueda de una hipotética y extremadamente rara transición nuclear llamada desintegración doble beta sin emisión de neutrinos (0νββ) en el que un núcleo de número atómico Z y número másico A se transforma en su isóbaro de número atómico Z + 2 emitiendo únicamente dos electrones: X (A,Z) → X (A,Z+2) + e− + e− Aunque la versión del proceso que incluye emisión de neutrinos ha sido observada y medida en varios isótopos, la versión sin neutrinos del proceso aún no lo ha sido a día de hoy. El mecanismo físico más simple que lo describe es el intercambio virtual de un neutrino ligero de tipo Majorana, de manera que toda la energía disponible en la desintegración (Qββ) se reparta entre los dos electrones emitidos. Precisamente ésta, sería la señal característica del proceso y por tanto el objetivo de todo experimento que pretenda encontrarlo. La semivida de este proceso llevaría implícita una medida indirecta de la masa de los neutrinos. Los experimentos actuales han seguido distintas aproximaciones tecnológicas buscando la mejor resolución energética y la menor actividad de ruido posible que maximicen su sensibilidad. Las técnicas más prometedoras son los bolómetros, las TPCs, los semiconductores y los centelleadores. Precisamente, a este último tipo pertenece Kamland-ZEN, experimento japonés que haciendo uso de 136Xe disuelto en centelleador líquido, ha establecido el límite más estricto hasta la fecha a la semivida de la desintegración 0νββ de 1.07 × 10^26 años, con un rango de masa efectiva del neutrino Majorana entre 61 - 165 meV. Es importante recalcar aquí lo realmente improbable que es el proceso, con una semi-vida 17 órdenes de magnitud mayor que la propia edad del universo y que convierte su búsqueda en un gran desafío físico y tecnológico. La colaboración NEXT propone el detector NEXT-100 para la búsqueda de desintegraciones 0νββ, cuya sensibilidad es el objeto de estudio de esta tesis. Se trata de una TPC electroluminiscente capaz de albergar 100 kg de gas xenón a 15 bares de presión enriquecido al 91% en 136Xe, que será operada en el Laboratorio Subterráneo de Canfranc. El gas xenón es un medio ideal pues presenta una serie de características fundamentales para la búsqueda de desintegraciones ββ como son el que se pueda enriquecer fácilmente en su isótopo 136Xe, la facilidad para limpiarlo de impurezas, que presente señales de ionización y centelleo, que su resolución energética intrínseca sea mejor del 0.5% (FWHM a 2.5 MeV) y finalmente que su modo de desintegración 2νββ sea lento. En NEXT-100 cada uno de los planos está dedicado y optimizado para una función distinta. Los electrones de la desintegración ββ ionizan y hacen centellear al xenón a la par. La luz de centelleo es leída por fotomultiplicadores de gran tamaño del cátodo para dar una medida del comienzo del evento (t0). Los electrones de ionización derivan hacia el ánodo bajo la acción de un campo eléctrico moderado (300 - 500 V cm−1) donde son acelerados por un campo mucho más intenso. Esta aceleración genera luz de electroluminiscencia o centelleo secundario de forma proporcional al número de electrones que llegan. Esta luz es leída desde el cátodo para proporcionar la medida de la energía total depositada en el detector. Por su parte el ánodo, instrumentado con SiPMs equiespaciados 1 cm entre ellos, es el encargado de reconstruir la topología de las señales registradas a través de la lectura de esta misma luz de electroluminiscencia. De esta forma, la señal de dos electrones con origen en un mismo vértice y energía total depositada igual a 136Xe Qββ (2458 keV) correspondiente a la señal 0νββ tiene una morfología muy característica que es reconstruida por ambos planos de nuestro detector. Por un lado, el ánodo proporciona una reconstrucción topológica en forma de una única deposición de energía en forma de traza alargada, con una densidad de energía depositada por unidad de espacio recorrido constante, y que presenta áreas de alta deposición energética en sus dos extremos debido a los picos de Bragg. La reconstrucción topológica viene afectada principalmente por la difusión de los electrones de ionización a lo largo de su viaje hasta el cátodo, la difusión de la luz de electroluminiscencia, y de la separación existente entre los sensores. La resolución espacial esperada es de 10 mm en las componentes transversales y de 5 mm en la longitudinal. Por otro lado, el cátodo proporciona una medida de la energía total depositada en el volumen activo del detector que en el caso de nuestra señal será de 2458 keV con una resolución estimada del 0.7% FWHM. Cualquier evento registrado en el detector capaz de imitar la impronta dejada por la señal se considera un evento de ruido y como hemos visto anteriormente, su minimización es clave para maximizar la sensibilidad del detector. La identificación y evaluación de todos ellos bajo distintas circunstancias supone el principal objetivo de esta tesis. En NEXT-100 las principales fuentes de ruido son: • La radioactividad natural presente en todos los componentes del detector. Es la fuente de ruido más común. Especialmente dañinos son los isótopos 208Tl y 214Bi presentes en las cadenas de desintegración del torio y del uranio respectivamente, cuyas gammas de des-excitación poseen una energía cercana a Qββ y que eventualmente pueden presentar una topología similar a la de la señal. La selección de componentes de una radiopureza extrema es por lo tanto esencial en la fabricación de los detectores. • El radón es también un producto intermedio de las cadenas de desintegración, cuyo isótopo 222Rn con origen en el uranio y vida media de 3.8 días es especialmente perjudicial. Hay varios mecanismos por los cuales el radón puede producir eventos de ruido: desde el aire del laboratorio, a la contaminación intrínseca que puede presentar el xenón, así como al degassing de los materiales del detector cercanos al volumen activo. Para la mitigación de este tipo de ruido el LSC ha comprado un sistema que reduce en 4 órdenes de magnitud la presencia de radón en el aire del laboratorio; y eventualmente, en caso de ser necesario, pueden instalarse en el sistema de gas trampas de radón que filtren el xenón del detector. • Los muones cosmogénicos. Un flujo de 3 × 10^−6 cm^−2 s^−1 ha sido medido en el Hall A del LSC, con una energía estimada teóricamente de entre 220 y 245 GeV con altos grados de incertidumbre. El paso de muones por el detector crea una serie de núcleos inestables y de neutrones que generan cascadas electromagnéticas capaces de generar eventos de ruido. Inicialmente, un sistema de centelleadores rodeando el detector puede detectar el paso de los mismos, y aplicando un tiempo muerto tras su paso eliminar el correspondiente ruido. Una segunda contribución de los muones viene de la activación del xenón por neutrones secundarios. La desintegración beta del 137Xe con un valor de Q de 4173 keV, en la práctica introduce un número de eventos en nuestra región de interés, que a la postre no pueden ser vetados y deben ser tenidos en cuenta en los cálculos de ruido del detector. • Los neutrones son partículas muy penetrantes capaces de activar distintos isótopos en las componentes del detector o generar alfas y protones que acaban generando gammas energéticas que pueden producir eventos de ruido. En el caso del LSC, el mayor porcentaje de neutrones tiene su origen en la contaminación de uranio y torio de las rocas que conforman las paredes del laboratorio y el flujo total medido es de 1.38 ± 0.14 × 10^−5 cm^−2 s^−1. Como los muones, los neutrones también pueden generar ruido a través de la activación del xenón. Por suerte, los neutrones son fáciles de vetar. Existen placas comerciales de polietileno dopado con boro al 5% de 20 cm de espesor que los reduce en 3 órdenes de magnitud lo que convierte su contribución en despreciable. Parte del objetivo de esta tesis consiste en la simulación y evaluación de la eficiencia de señal, la actividad de ruido esperada de cada una de las fuentes y con estos datos, estimar la sensibilidad del detector. La simulación realizada es de tipo Monte Carlo y está basada en GEANT4. El análisis consiste en la aplicación secuencial de una serie de algoritmos y cortes encargados de identificar y cuantificar cuantos eventos de señal y de cada tipo de ruido poseen la energía y el patrón característico de las desintegraciones 0νββ. Los resultados obtenidos se resumen en una eficiencia de señal del 32% y un ruido total esperado menor de 4.22 × 10^−4 cts. keV^−1 kg^−1 yr^−1, siendo la mayor contribución la radioactividad natural presente en ambos planos de sensores del detector. Gracias a estos valores, la sensibilidad de NEXT-100 tras 5 años de toma de datos asciende a una semi-vida de 9.85 × 10^25 años al 90% de CL, que se corresponde a una masa del neutrino de Majorana de 57 - 161 meV en función del elemento de matriz nuclear (NME) empleado, obteniendo los mejores límites de sensibilidad publicados hasta la fecha. Los últimos estudios realizados dentro de la colaboración permiten una evolución del detector NEXT-100 a una versión que denominamos alta definición que mejora las prestaciones del detector y la respuesta del análisis. Las principales mejoras y sus consecuencias son: • Alta resolución espacial. La adición de ciertos gases como el CO2 o el He al xenón permite la reducción de la difusión transversal y longitudinal a valores alrededor de 2 mm / sqrt(m), a la par que se mantiene la producción de luz. En la práctica esto supone poder "ver" los eventos del detector en alta definición lo que propicia una mejor discriminación del ruido en base a su patrón topológico. • Alta resolución energética. Las últimas medidas de resolución energética hechas en NEW para eventos puntuales es ya del 0.5%, y esperamos poder extender dicha resolución a eventos más extensos en el corto plazo. La mejora permite una reducción lineal del ruido procedente del 208Tl y del 137Xe, y en un factor aún mayor del 214Bi. • Deep Neural Networks. Los estudios preliminares llevados a cabo por la colaboración en el uso de DNNs para la discriminación topológica de los eventos presentan ya una mejora sensible respecto al análisis estándar, y cabe destacar que hay bastante margen de mejora en el uso de estas novedosas técnicas. La combinación de estas tres mejoras supone una reducción de la tasa de ruido esperada a un nivel de 6.82 × 10^−5 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1 con una eficiencia de señal del 29%. El valor actualizado de sensibilidad al 90% de CL tras 5 años de toma de datos es de 1.48 × 10^26 años y una masa del neutrino de Majorana de 47 - 131 meV. El número total de cuentas de ruido tras 5 años es de 0.6, lo que en la práctica convierte a NEXT-100 alta definición en un detector libre de ruido y que por lo tanto puede ser escalado a la tonelada para poder barrer todo el rango de masas correspondiente a la jerarquía inversa (20 - 50 meV). La extrapolación de la tecnología de la alta definición a un detector de una tonelada de xenón ha sido evaluada de forma somera en el presente estudio. Aún con ciertas licencias en el diseño del futuro detector, una estimación del ruido esperado arroja una actividad de 7.89 × 10^−6 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1. Una figura tan baja de ruido permite que el incremento de masa de isótopo del nuevo detector tenga un reflejo casi lineal en la sensibilidad del detector, siendo la nueva sensibilidad tras 5 años de toma de datos de 1.34 × 10^27 años al 90% CL y una masa del neutrino Majorana de 12 - 33 meV, barriendo por completo el rango de masas de la jerarquía inversa. Por último cabe destacar los esfuerzos de la colaboración en la búsqueda de la identificación del ión de bario (Ba++) que se genera tras la desintegración ββ del xenón usando una técnica de microscopía de super-resolución sensible a una sola molécula (SMFI) usada ampliamente en bioquímica. En la práctica supondría la eliminación de toda fuente de ruido a excepción de la desintegración 2νββ. Este escenario permitiría reducir la actividad de ruido del detector a un valor residual de ∼ 5 × 10^−9 cts keV^−1 kg^−1 yr^−1 a la par que permitiría incrementar la eficiencia de detección de señal al 56%. La sensibilidad que se alcanzaría en este caso tras 5 años de toma de datos sería de T0ν = 3.21 × 1027 años al 90% CL y una masa del neutrino Majorana de 10 - 28 meV, con una mejora lineal de la sensibilidad T0ν con la exposición. En el hipotético caso de que la masa de los neutrinos siguiera la jerarquía normal en vez de la inversa, la tecnología necesaria para explorar las masas del neutrino de Majorana correspondientes (∼ 1meV) deberá contemplar inexorablemente el "barium tagging".