We report on a search for neutrinoless double-beta decay of $^{136}$Xe with EXO-200. No signal is observed for an exposure of 32.5 kg-yr, with a background of ~1.5 x 10^{-3} /(kg yr keV) in the $\pm 1\sigma$ region of interest. This sets a lower limit on the half-life of the neutrinoless double-beta decay $T_{1/2}^{0\nu\beta\beta}$($^{136}$Xe) > 1.6 x 10$^{25}$ yr (90% CL), corresponding to effective Majorana masses of less than 140-380 meV, depending on the matrix element calculation.

Results from a search for neutrinoless double-beta decay (0νββ) of ^{136}Xe are presented using the first year of data taken with the upgraded EXO-200 detector. Relative to previous searches by EXO-200, the energy resolution of the detector has been improved to σ/E=1.23%, the electric field in the drift region has been raised by 50%, and a system to suppress radon in the volume between the cryostat and lead shielding has been implemented. In addition, analysis techniques that improve topological discrimination between 0νββ and background events have been developed. Incorporating these hardware and analysis improvements, the median 90% confidence level 0νββ half-life sensitivity after combining with the full data set acquired before the upgrade has increased twofold to 3.7×10^{25} yr. No statistically significant evidence for 0νββ is observed, leading to a lower limit on the 0νββ half-life of 1.8×10^{25} yr at the 90% confidence level.

A search for neutrinoless double-beta decay ($0\nu\beta\beta$) in $^{136}$Xe is performed with the full EXO-200 dataset using a deep neural network to discriminate between $0\nu\beta\beta$ and background events. Relative to previous analyses, the signal detection efficiency has been raised from 80.8% to 96.4$\pm$3.0% and the energy resolution of the detector at the Q-value of $^{136}$Xe $0\nu\beta\beta$ has been improved from $\sigma/E=1.23\%$ to $1.15\pm0.02\%$ with the upgraded detector. Accounting for the new data, the median 90% confidence level $0\nu\beta\beta$ half-life sensitivity for this analysis is $5.0 \cdot 10^{25}$ yr with a total $^{136}$Xe exposure of 234.1 kg$\cdot$yr. No statistically significant evidence for $0\nu\beta\beta$ is observed, leading to a lower limit on the $0\nu\beta\beta$ half-life of $3.5\cdot10^{25}$ yr at the 90% confidence level.

Neutrinoless double beta decay is one of the most sensitive probes for new physics beyond the Standard Model of particle physics. One of the isotopes under investigation is Xe136, which would double beta decay into Ba136. Detecting the single Ba136 daughter provides a sort of ultimate tool in the discrimination against backgrounds. Previous work demonstrated the ability to perform single atom imaging of Ba atoms in a single-vacancy site of a solid xenon matrix. In this paper, the effort to identify signal from individual barium atoms is extended to Ba atoms in a hexa-vacancy site in the matrix and is achieved despite increased photobleaching in this site. Abrupt fluorescence turn-off of a single Ba atom is also observed. Significant recovery of fluorescence signal lost through photobleaching is demonstrated upon annealing of Ba deposits in the Xe ice. Following annealing, it is observed that Ba atoms in the hexa-vacancy site exhibit antibleaching while Ba atoms in the tetra-vacancy site exhibit bleaching. This may be evidence for a matrix site transfer upon laser excitation. Our findings offer a path of continued research toward tagging of Ba daughters in all significant sites in solid xenon. Published by the American Physical Society 2024