多吨级氙时间投影室中^{124}Xe二阶弱衰变的探测前景

我们研究了在多吨级氙时间投影室中探测^{124}Xe的二中微子与无中微子二阶弱衰变——双电子俘获(0/2νECEC)、电子俘获伴随正电子发射(0/2νECβ^+)以及双正电子发射(0/2νβ^+β^+)——的前景。我们在液氙介质中模拟了这些衰变，并开发了一种重建算法，利用这些衰变中的多粒子符合来将信号与本底分离。由此我们计算了计划中的实验随位置分辨率和能量阈值的预期探测效率。此外，我们考虑了详尽的可能本底来源列表，发现它们在计数率上可忽略，或可通过我们的拓扑重建判据大幅压低。特别地，我们得出两点结论：第一，由于半衰期为T_{1/2}^{2νECβ^+} = (1.7 ± 0.6)·10^{23} yr，^{124}Xe的2νECβ^+衰变很可能在即将开展的暗物质实验(如XENONnT或LZ)中被探测到，其主要本底来自探测器结构材料中的伽马射线。第二，对0νECβ^+衰变模式的搜寻很可能无本底，新的参数空间或可被触及。为此，我们研究了现有实验对有效中微子质量约束的三种不同情形。所需的500 kg·yr的^{124}Xe曝光量可由DARWIN观测站的基线设计实现，或从nEXO实验的尾矿中提取并利用^{124}Xe来实现。我们展示了将^{124}Xe的结果与^{136}Xe中0νβ^-β^-搜寻的结果相结合，如何有助于鉴别无中微子衰变机制。