Eksperiment giver et dybere indblik i neutrinoers natur

Det første glimt af data fra hele rækken af ​​en dybt nedkølet partikeldetektor, der opererer under et bjerg i Italien, sætter de mest præcise grænser endnu for, hvor videnskabsmænd kan finde en teoretiseret proces til at hjælpe med at forklare, hvorfor der er mere stof end antistof i universet.

Dette nye resultat, offentliggjort online på arXiv.org og indsendt i dag til tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , er baseret på to måneders data indsamlet fra den fulde detektor af CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) eksperimentet ved det italienske nationale institut for kernefysik (INFN's) Gran Sasso National Laboratories (LNGS) i Italien. CUORE betyder "hjerte" på italiensk.

Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) leder den amerikanske kernefysikindsats for det internationale CUORE-samarbejde, som har omkring 150 medlemmer fra 25 institutioner. Det amerikanske kernefysikprogram har ydet væsentlige bidrag til fremstillingen og den videnskabelige ledelse af CUORE-detektoren.

CUORE betragtes som en af ​​de mest lovende bestræbelser på at afgøre, om små elementarpartikler kaldet neutrinoer, som kun sjældent interagerer med stof, er "Majorana-partikler" - identiske med deres egne antipartikler. De fleste andre partikler er kendt for at have antipartikler, der har samme masse, men en anden ladning, for eksempel. CUORE kunne også hjælpe os med at finde de nøjagtige masser af de tre typer, eller "smag, "af neutrinoer - neutrinoer har den usædvanlige evne til at forvandle sig til forskellige former.

"Dette er den første forhåndsvisning af, hvad et instrument på denne størrelse er i stand til, " sagde Oliviero Cremonesi, en senior fakultetsforsker ved INFN og talsmand for CUORE-samarbejdet. Allerede, det fulde detektorarrays følsomhed har overskredet nøjagtigheden af ​​de målinger, der blev rapporteret i april 2015 efter en vellykket to-årig testkørsel, der fik et detektortårn. I løbet af de næste fem år vil CUORE indsamle omkring 100 gange mere data.

Yury Kolomensky, en senior videnskabsmand ved Nuclear Science Division ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og amerikansk talsmand for CUORE-samarbejdet, sagde, "Detektoren fungerer usædvanligt godt, og disse to måneders data er nok til at overskride de tidligere grænser." Kolomensky er også professor i UC Berkeley Physics Department.

De nye data giver et snævert område, hvori forskere kan forvente at se enhver indikation af partikelprocessen, den er designet til at finde, kendt som neutrinoløst dobbelt beta-henfald.

"CUORE er, i det væsentlige, et af verdens mest følsomme termometre, sagde Carlo Bucci, teknisk koordinator for eksperimentet og italiensk talsmand for CUORE-samarbejdet. dens detektorer, dannet af 19 kobberindrammede "tårne", der hver rummer en matrix på 52 terningformede, højt oprensede tellurdioxidkrystaller, er ophængt i det inderste kammer af seks indlejrede tanke.

Afkølet af det mest kraftfulde køleskab af sin art, tankene udsætter detektoren for den koldeste kendte temperatur målt i et kubikmeter volumen i hele universet:minus 459 grader Fahrenheit (10 milliKelvin).

Detektorarrayet blev designet og samlet over en 10-årig periode. Det er beskyttet mod mange eksterne partikler, såsom kosmiske stråler, der konstant bombarderer Jorden, inden 1, 400 meter klippe over det, og af tyk blyafskærmning, der inkluderer en strålingsfattig form for bly reddet fra et gammelt romersk skibsvrag. Andre detektormaterialer blev også fremstillet under ultrarene forhold, og detektorerne blev samlet i nitrogenfyldt, forseglede handskebokse for at forhindre forurening fra almindelig luft.

"Designer, bygning, og driften af ​​CUORE har været en lang rejse og en fantastisk præstation, " sagde Ettore Fiorini, en italiensk fysiker, der udviklede konceptet med CUOREs varmefølsomme detektorer (tellurdioxid bolometre), og talsmand-emeritus for CUORE-samarbejdet. "Anvendelse af termiske detektorer til at studere neutrinoer tog flere årtier og førte til udviklingen af ​​teknologier, som nu kan anvendes i mange forskningsområder."

Sammen vejer de over 1, 600 pund, CUOREs matrix af groft knytnævestore krystaller er ekstremt følsom over for partikelprocesser, især ved denne ekstreme temperatur. Tilknyttede instrumenter kan præcist måle stadigt små temperaturændringer i krystallerne, der er et resultat af disse processer.

Berkeley Lab og Lawrence Livermore National Laboratory-forskere leverede omtrent halvdelen af ​​krystallerne til CUORE-projektet. Ud over, Berkeley Lab-teamet designede og fremstillede de meget følsomme temperatursensorer - kaldet neutrontransmutation dopede termistorer - opfundet af Eugene Haller, en senior fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og et UC Berkeley fakultetsmedlem.

Berkeley Lab-forskere designede og byggede også et specialiseret renrum forsynet med luft udtømt for naturlig radioaktivitet, så CUORE-detektorerne kunne installeres i kryostaten under ultrarene forhold. Og Berkeley Labs videnskabsmænd og ingeniører, under ledelse af UC Berkeley postdoc Vivek Singh, arbejdet sammen med italienske kolleger for at idriftsætte de CUORE kryogene systemer, inklusive et unikt kraftigt kølesystem kaldet et fortyndingskøleskab.

Tidligere UC Berkeley postdoc-studerende Tom Banks og Tommy O'Donnell, som også havde fælles ansættelser i Nuclear Science Division ved Berkeley Lab, ledet det internationale hold af fysikere, ingeniører, og teknikere til at samle over 10, 000 dele til tårne ​​i nitrogenfyldte handskebokse. De knyttede næsten 8, 000 guldtråde, måler kun 25 mikrometer i diameter, til 100 mikron store puder på temperatursensorerne, og på kobberpuder forbundet til detektorledninger.

CUORE-målinger bærer den afslørende signatur af specifikke typer partikelinteraktioner eller partikelhenfald - en spontan proces, hvorved en partikel eller partikler omdannes til andre partikler.

I dobbelt beta-henfald, som er blevet observeret i tidligere forsøg, to neutroner i et radioaktivt grundstofs atomkerne bliver til to protoner. Også, der udsendes to elektroner, sammen med to andre partikler kaldet antineutrinoer.

Neutrinoløst dobbelt beta-henfald, i mellemtiden - den specifikke proces, som CUORE er designet til at finde eller udelukke - ville ikke producere nogen antineutrinoer. Dette ville betyde, at neutrinoer er deres egne antipartikler. Under denne henfaldsproces ville de to antineutrino-partikler effektivt udslette hinanden, efterlader ingen spor i CUORE-detektoren. Beviser for denne type henfaldsproces vil også hjælpe videnskabsmænd med at forklare neutrinoers rolle i ubalancen mellem stof og antistof i vores univers.

Neutrinoløst dobbelt beta-henfald forventes at være yderst sjældent, forekommer højst (hvis overhovedet) én gang hver 100 septillion (1 efterfulgt af 26 nuller) år i et givent atoms kerne. Det store volumen af ​​detektorkrystaller er beregnet til i høj grad at øge sandsynligheden for at optage en sådan hændelse i løbet af eksperimentets levetid.

Der er stigende konkurrence fra nye og planlagte eksperimenter for at afgøre, om denne proces eksisterer ved hjælp af en række søgeteknikker, og Kolomensky bemærkede, "Konkurrencen hjælper altid. Det driver fremskridt, og vi kan også verificere hinandens resultater, og hjælpe hinanden med materialescreening og dataanalyseteknikker."

Lindley Winslow fra Massachusetts Institute of Technology, der koordinerede analysen af ​​CUORE-dataene, sagde, "Vi er fristende tæt på et helt uudforsket territorium, og der er stor mulighed for opdagelse. Det er en spændende tid at være med på eksperimentet."