Los físicos nucleares afiliados al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de los EE. UU. Berkeley Lab desempeñaron un papel de liderazgo en el análisis de datos para un experimento de demostración que ha logrado una precisión récord para un material detector especializado.
El experimento CUPID-Mo se encuentra entre un campo de experimentos que utilizan una variedad de enfoques para detectar un proceso de partículas teorizado, llamado desintegración doble beta sin neutrinos, que podría revisar nuestra comprensión de las partículas fantasmales llamadas neutrinos, y de su papel enla formación del universo
Los resultados preliminares del experimento CUPID-Mo, basado en el análisis de los datos recopilados por Berkeley Lab de marzo de 2019 a abril de 2020, establecieron un nuevo límite mundial para el proceso de descomposición doble beta sin neutrinos en un isótopo de molibdenoconocido como Mo-100. Los isótopos son formas de un elemento que transporta un número diferente de partículas no cargadas llamadas neutrones en sus núcleos atómicos.
El nuevo resultado establece el límite de la vida media de la desintegración doble beta sin neutrinos en Mo-100 en 1.4 veces un billón de billones de años eso es 14 seguidos por 23 ceros, que es una mejora del 30% en la sensibilidad sobre el NeutrinoEttore Majorana Observatory 3 NEMO 3, un experimento anterior que funcionó en el mismo sitio entre 2003 y 2011 y también usó Mo-100. Una vida media es el tiempo que tarda un isótopo radiactivo en eliminar la mitad de su radiactividad.
Se teoriza que el proceso de desintegración doble beta sin neutrinos es muy lento y raro, y no se detectó un solo evento en CUPID-Mo después de un año de toma de datos.
Si bien ambos experimentos usaron Mo-100 en sus conjuntos de detectores, NEMO 3 usó una forma de lámina del isótopo mientras que CUPID-Mo usó una forma de cristal que produce destellos de luz en ciertas interacciones de partículas.
Los experimentos más grandes que usan diferentes materiales detectores y que operan por períodos más largos de tiempo han logrado una mayor sensibilidad, aunque el éxito temprano informado de CUPID-Mo prepara el escenario para un experimento sucesor planificado llamado CUPID con una matriz de detectores que será 100 vecesmás grande
contribuciones de Berkeley Lab a CUPID-Mo
Ningún experimento ha confirmado aún si existe el proceso sin neutrinos. La existencia de este proceso confirmaría que los neutrinos sirven como sus propias antipartículas, y tal prueba también ayudaría a explicar por qué la materia ganó a la antimateria en nuestro universo.
Todos los datos del experimento CUPID-Mo - el acrónimo CUPID significa CUORE Upgrade con identificación de partículas, y "Mo" es para el molibdeno contenido en el cristal detector - se transmite desde el Laboratorio subterráneo Modane Laboratoire souterrain deModane en Francia a la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab.
Benjamin Schmidt, un investigador postdoctoral en la División de Ciencia Nuclear de Berkeley Lab, dirigió el esfuerzo de análisis de datos general para el resultado de CUPID-Mo, y fue apoyado por un equipo de investigadores afiliados a Berkeley Lab y otros miembros de la colaboración internacional.
Berkeley Lab también contribuyó con 40 sensores que permitieron la lectura de las señales captadas por el conjunto de detectores de 20 cristales de CUPID-Mo. El conjunto se sobreenfrió a aproximadamente 0.02 kelvin, o menos 460 grados Fahrenheit, para mantener su sensibilidad. Sus cristales cilíndricos contienen litio, oxígeno y el isótopo Mo-100, y producen pequeños destellos de luz en las interacciones de partículas.
El esfuerzo internacional para producir el resultado CUPID-Mo es notable, dijo Schmidt, dado el contexto de la pandemia global que había generado incertidumbre sobre la operación continua del experimento.
"Por un tiempo parecía que tendríamos que cerrar el experimento CUPID-Mo prematuramente debido al brote de COVID-19 en Europa a principios de marzo y las dificultades asociadas para suministrar el experimento con los líquidos criogénicos requeridos".él dijo.
Añadió: "A pesar de esta incertidumbre y los cambios asociados con el cierre de espacios de oficinas y escuelas, así como el acceso restringido al laboratorio subterráneo, nuestros colaboradores hicieron todo lo posible para mantener el experimento durante la pandemia".
Schmidt atribuye los esfuerzos del grupo de análisis de datos que dirigió para encontrar una manera de trabajar desde casa y producir los resultados del experimento a tiempo para presentarlos en Neutrino 2020, una Conferencia Internacional virtual sobre Física y Astrofísica de Neutrinos organizada porFermi National Accelerator Laboratory. Los miembros de la colaboración CUPID-Mo planean presentar los resultados para su publicación en una revista científica revisada por pares.
sintonización de detectores ultrasensibles
Un desafío particular en el análisis de datos, dijo Schmidt, fue asegurar que los detectores se calibraran adecuadamente para registrar el "conjunto extremadamente evasivo de eventos" que se predice que están asociados con una señal de descomposición doble beta sin neutrinos.
Se espera que el proceso de descomposición sin neutrinos genere una señal de muy alta energía en el detector CUPID-Mo y un destello de luz. Se espera que la señal, debido a su alta energía, esté libre de interferencia por la naturalezafuentes de radiactividad.
Para probar la respuesta de CUPID-Mo a las señales de alta energía, los investigadores colocaron otras fuentes de señales de alta energía, incluyendo Tl-208, un isótopo radiactivo de talio, cerca del conjunto de detectores. Las señales generadas por la descomposición de este isótopoestán en una energía alta, pero no tan alta como la energía predicha para asociarse con el proceso de descomposición sin neutrinos en Mo-100, si existe.
"Por lo tanto, un gran desafío fue convencernos de que podemos calibrar nuestros detectores con fuentes comunes, en particular Tl-208", dijo Schmidt, "y luego extrapolar la respuesta del detector a nuestra región de señal y tener debidamente en cuenta las incertidumbres enesta extrapolación "
Para mejorar aún más la calibración con señales de alta energía, los físicos nucleares utilizaron el ciclotrón de 88 pulgadas de Berkeley Lab para producir un cable que contiene Co-56, un isótopo de cobalto que tiene un bajo nivel de radiactividad, tan pronto como se reabrió el ciclotrónel mes pasado después de un cierre temporal en respuesta a la pandemia de COVID-19. El cable se envió a Francia para realizar pruebas con el conjunto de detectores CUPID-Mo.
Preparación para el experimento de próxima generación en Italia
Si bien CUPID-Mo ahora puede estar rezagado con respecto a la sensibilidad en las mediciones logradas por otros experimentos, que usan diferentes técnicas y materiales de detección, porque es más pequeño y aún no ha reunido tantos datos ", con el experimento completo de CUPID, que utilizará aproximadamente 100 veces más Mo-100, y con 10 años de operación, tenemos excelentes perspectivas para la búsqueda y el descubrimiento potencial de la desintegración doble beta sin neutrinos ", dijo Schmidt.
CUPID-Mo se instaló en el sitio del experimento de búsqueda de materia oscura Edelweiss III en un túnel a más de una milla de profundidad en Francia, cerca de la frontera italiana, y utiliza algunos componentes Edelweiss III. Mientras tanto, CUPID se propone reemplazar elCUORE experimento de búsqueda de desintegración doble beta sin neutrinos en el Laboratorio Nacional Gran Sasso Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Italia. Mientras CUPID-Mo contiene solo 20 cristales detectores, CUPID contendría más de 1,500.
"Después de que CUORE termine de tomar datos en dos o tres años, el detector CUPID podría demorar cuatro o cinco años en construirse", dijo Yury Kolomensky, portavoz de los Estados Unidos para la colaboración de CUORE y científico principal de Berkeley Lab, que lidera CUOREColaboración de los Estados Unidos: "CUPID sería una actualización relativamente modesta en términos de costos y desafíos técnicos, pero será una mejora significativa en términos de sensibilidad".
La toma de datos de Física para CUPID-Mo concluyó el 22 de junio, y los datos nuevos que no se consideraron en el último resultado representan un crecimiento de aproximadamente 20% a 30% en los datos generales. CUPID-Mo es respaldado por un grupo de franceseslaboratorios, y por laboratorios en los EE. UU., Ucrania, Rusia, Italia, China y Alemania.
NERSC es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
La colaboración CUPID-Mo reúne a investigadores de 27 instituciones, incluidos los laboratorios franceses Irfu / CEA e IJCLab en Orsay; IP2I en Lyon; e Institut Néel y SIMaP en Grenoble, así como instituciones en los EE. UU., Ucrania, Rusia,Italia, China y Alemania.
El experimento cuenta con el apoyo de la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., El programa de Investigación de Investigación de Berkeley, la Agencia Nacional de Investigación, el Laboratorio Asociado Internacional IDEATE LIA, la Fundación de Ciencias de Rusia, la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania,National Science Foundation, el Fondo Francia-Berkeley, el fondo MISTI-Francia y la Oficina de Ciencia y Tecnología de la Embajada de Francia en los Estados Unidos
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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