Forskere demonstrerer et nyt eksperiment i søgen efter teoretiseret neutrinoløs proc

Kernefysikere tilknyttet U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) spillede en ledende rolle i analysen af ​​data til et demonstrationseksperiment, der har opnået rekordpræcision for et specialiseret detektormateriale.

CUPID-Mo-eksperimentet er blandt et felt af eksperimenter, der bruger en række forskellige metoder til at detektere en teoretiseret partikelproces, kaldet neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, der kunne revidere vores forståelse af spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer, og deres rolle i dannelsen af ​​universet.

De foreløbige resultater fra CUPID-Mo-eksperimentet, baseret på Berkeley Lab-ledet analyse af data indsamlet fra marts 2019 til april 2020, fastsætte en ny verdensledende grænse for den neutrinoløse dobbelt-beta-henfaldsprocess i en isotop af molybdæn kendt som Mo-100. Isotoper er former for et element, der bærer et andet antal uladede partikler kaldet neutroner i deres atomkerner.

Det nye resultat sætter grænsen for den neutrinoløse dobbelt-beta henfald halveringstid i Mo-100 ved 1,4 gange en billion billioner år (det er 14 efterfulgt af 23 nuller), hvilket er en 30% forbedring i følsomhed i forhold til Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), et tidligere forsøg, der opererede på samme sted fra 2003-2011 og også brugte Mo-100. En halveringstid er den tid, det tager for en radioaktiv isotop at kaste halvdelen af ​​dens radioaktivitet.

Den neutrinoløse dobbelt-beta-henfaldsproces er teoretiseret til at være meget langsom og sjælden, og der blev ikke registreret en enkelt hændelse i CUPID-Mo efter et års datatagning.

Mens begge forsøg brugte Mo-100 i deres detektorarrays, NEMO 3 brugte en folieform af isotopen, mens CUPID-Mo brugte en krystalform, der frembringer lysglimt i visse partikelinteraktioner.

Større eksperimenter, der bruger forskellige detektormaterialer, og som fungerer i længere tid, har opnået større følsomhed, selvom den rapporterede tidlige succes med CUPID-Mo sætter scenen for et planlagt efterfølgereksperiment kaldet CUPID med et detektor-array, der vil være 100 gange større.

Berkeley Labs bidrag til CUPID-Mo

Intet forsøg har endnu bekræftet, om den neutrinoløse proces eksisterer. Eksistensen af ​​denne proces ville bekræfte, at neutrinoer fungerer som deres egne antipartikler, og et sådant bevis ville også hjælpe med at forklare, hvorfor sagen vandt over antimateriale i vores univers.

Alle data fra CUPID-Mo-eksperimentet-CUPID-akronymet står for CUORE Upgrade with Particle IDentification, og "Mo" er for molybdæn indeholdt i detektorkrystallet - transmitteres fra Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) i Frankrig til Cori -supercomputeren på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center.

Benjamin Schmidt, en postdoktor i Berkeley Labs Nuclear Science Division, ledet den samlede dataanalyseindsats for CUPID-Mo-resultatet, og blev støttet af et team af Berkeley Lab-tilknyttede forskere og andre medlemmer af det internationale samarbejde.

Berkeley Lab bidrog også med 40 sensorer, der muliggjorde aflæsning af signaler, der blev opsamlet af CUPID-Mo's 20-krystal detektor-array. Arrayet blev underkølet til ca. 0,02 kelvin, eller minus 460 grader Fahrenheit, for at bevare sin følsomhed. Dens cylindriske krystaller indeholder lithium, ilt, og isotopen Mo-100, og producere bittesmå lysglimt i partikelinteraktioner.

Den internationale indsats for at producere CUPID-Mo-resultatet er bemærkelsesværdig, Schmidt sagde, givet konteksten for den globale pandemi, der havde skabt usikkerhed om forsøgets fortsatte drift.

"I et stykke tid så det ud til, at vi skulle lukke CUPID-Mo-eksperimentet for tidligt på grund af udbruddet af COVID-19 i Europa i begyndelsen af ​​marts og de dertil knyttede vanskeligheder med at forsyne eksperimentet med nødvendige kryogene væsker, " han sagde.

Han tilføjede, "På trods af denne usikkerhed og de ændringer, der er forbundet med lukning af kontorlokaler og skoler, samt begrænset adgang til det underjordiske laboratorium, vores samarbejdspartnere gjorde alt for at eksperimentet kørte igennem pandemien. "

Schmidt krediterede den dataanalysegruppes indsats, han ledte for at finde en måde at arbejde hjemmefra og producere resultaterne fra eksperimentet i tide til at præsentere dem på Neutrino 2020, en virtuel international konference om Neutrino Physics and Astrophysics arrangeret af Fermi National Accelerator Laboratory. Medlemmer af CUPID-Mo-samarbejdet planlægger at indsende resultaterne til offentliggørelse i et fagfællebedømt videnskabstidsskrift.

Indstilling af ultrafølsomme sensorer

En særlig udfordring i dataanalysen, Schmidt sagde, var i at sikre, at detektorerne blev korrekt kalibreret til at registrere det "ekstremt undvigende sæt hændelser", der forudsiges at være forbundet med et signal om neutrinoløst dobbelt-beta-henfald.

Den neutrinoløse henfaldsprocess forventes at generere et signal med meget høj energi i CUPID-Mo-detektoren og et lysglimt. Signalet, fordi den har så høj energi, forventes at være fri for interferens fra naturlige kilder til radioaktivitet.

For at teste CUPID-Mo's reaktion på signaler med høj energi, forskere havde placeret andre kilder til højenergisignaler, herunder Tl-208, en radioaktiv isotop af thallium, i nærheden af ​​detektorarrayet. Signalerne genereret ved forfaldet af denne isotop har en høj energi, men ikke så høj som energien forudsagt at være forbundet med den neutrinoløse henfaldsproces i Mo-100, hvis den findes.

"Derfor, en stor udfordring var at overbevise os selv om, at vi kan kalibrere vores detektorer med fælles kilder, især Tl-208, "Schmidt sagde, "og derefter ekstrapolere detektorresponsen til vores signalområde og korrekt tage højde for usikkerhederne i denne ekstrapolering."

For yderligere at forbedre kalibreringen med højenergisignaler, atomfysikere brugte Berkeley Labs 88-tommer cyclotron til at producere en tråd indeholdende Co-56, en isotop af kobolt, der har et lavt niveau af radioaktivitet, så snart cyclotron genåbnede i sidste måned efter en midlertidig nedlukning som reaktion på COVID-19-pandemien. Tråden er blevet sendt til Frankrig for at teste med CUPID-Mo detektor array.

Forbereder sig til næste generations eksperiment i Italien

Selvom CUPID-Mo nu kan hænge bag følsomheden i målinger opnået ved nogle andre eksperimenter-som bruger forskellige detektorteknikker og materialer-fordi den er mindre og endnu ikke har samlet så mange data, "Med det fulde CUPID -eksperiment, som vil bruge omkring 100 gange mere Mo-100, og med 10 års drift, vi har fremragende muligheder for søgning og potentiel opdagelse af neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, "Sagde Schmidt.

CUPID-Mo blev installeret på stedet for Edelweiss III-søgeeksperimentet i mørkt stof i en tunnel mere end en kilometer dyb i Frankrig, nær den italienske grænse, og bruger nogle Edelweiss III -komponenter. KUPID, imens, foreslås at erstatte CUORE neutrinoløst dobbelt-beta henfaldsforsøg på Gran Sasso National Laboratory (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) i Italien. Mens CUPID-Mo kun indeholder 20 detektorkrystaller, CUPID ville indeholde mere end 1, 500.

"Efter at CUORE er færdig med at tage data om to eller tre år, CUPID -detektoren kan tage fire eller fem år at bygge, "sagde Yury Kolomensky, Amerikansk talsmand for CUORE -samarbejdet og senior fakultetsforsker ved Berkeley Lab, som leder CUOREs amerikanske samarbejde. "CUPID ville være en relativt beskeden opgradering med hensyn til omkostninger og tekniske udfordringer, men det vil være en væsentlig forbedring med hensyn til følsomhed. "

Fysik datatagning for CUPID-Mo afsluttet 22. juni, og nye data, der ikke blev taget i betragtning i det seneste resultat, repræsenterer omkring 20% ​​til 30% vækst i de samlede data. CUPID-Mo understøttes af en gruppe franske laboratorier, og af laboratorier i USA, Ukraine, Rusland, Italien, Kina, og Tyskland.

NERSC er en DOE Office of Science brugerfacilitet.

CUPID-Mo-samarbejdet samler forskere fra 27 institutioner, herunder de franske laboratorier Irfu/CEA og IJCLab i Orsay; IP2I i Lyon; og Institut Néel og SIMaP i Grenoble, samt institutioner i USA, Ukraine, Rusland, Italien, Kina, og Tyskland.

Eksperimentet understøttes af U.S. Department of Energy Office of Science's Office of Nuclear Physics, Berkeley Research Computing -program, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE International Associated Laboratory (LIA), Russian Science Foundation, National Academy of Sciences of Ukraine, National Science Foundation, Frankrig-Berkeley-fonden, fonden MISTI-France, og Office for Science &Technology ved Frankrigs Ambassade i USA