El primer vistazo a los datos de la gama completa de un detector de partículas profundamente frío que opera debajo de una montaña en Italia establece los límites más precisos hasta ahora sobre dónde los científicos podrían encontrar un proceso teorizado para ayudar a explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo.

Este nuevo resultado, publicado en línea en arXiv.org y enviado hoy a la revista Cartas de revisión física , se basa en dos meses de datos recopilados del detector completo del experimento CUORE (Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros) en los Laboratorios Nacionales Gran Sasso (LNGS) del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN) en Italia. CUORE significa "corazón" en italiano.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) lidera el esfuerzo de física nuclear de EE. UU. Para la colaboración internacional CUORE, que cuenta con alrededor de 150 miembros de 25 instituciones. El programa de física nuclear de EE. UU. Ha realizado contribuciones sustanciales a la fabricación y el liderazgo científico del detector CUORE.

CUORE se considera uno de los esfuerzos más prometedores para determinar si pequeñas partículas elementales llamadas neutrinos, que interactúan solo en raras ocasiones con la materia, son "partículas de Majorana", idénticas a sus propias antipartículas. Se sabe que la mayoría de las otras partículas tienen antipartículas que tienen la misma masa pero una carga diferente, por ejemplo. CUORE también podría ayudarnos a identificar las masas exactas de los tres tipos, o "sabores, "de los neutrinos - los neutrinos tienen la habilidad inusual de transformarse en diferentes formas.

"Esta es la primera vista previa de lo que puede hacer un instrumento de este tamaño, "dijo Oliviero Cremonesi, un científico de la facultad senior en INFN y portavoz de la colaboración CUORE. Ya, La sensibilidad del conjunto de detectores completo ha superado la precisión de las mediciones informadas en abril de 2015 después de una prueba exitosa de dos años que incluyó una torre de detectores. Durante los próximos cinco años, CUORE recopilará aproximadamente 100 veces más datos.

Yury Kolomensky, un científico principal de la facultad en la División de Ciencias Nucleares del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y portavoz de los EE. UU. para la colaboración CUORE, dijo, "El detector está funcionando excepcionalmente bien y estos dos meses de datos son suficientes para superar los límites anteriores". Kolomensky también es profesor en el Departamento de Física de UC Berkeley.

Los nuevos datos proporcionan un rango estrecho en el que los científicos podrían esperar ver cualquier indicio del proceso de partículas para el que está diseñado. conocido como desintegración beta doble sin neutrinos.

"CUORE es, en esencia, uno de los termómetros más sensibles del mundo, "dijo Carlo Bucci, coordinador técnico del experimento y portavoz italiano de la colaboración CUORE. Sus detectores, formada por 19 "torres" con estructura de cobre, cada una de las cuales alberga una matriz de 52 en forma de cubo, cristales de dióxido de telurio altamente purificados, están suspendidos dentro de la cámara más interna de seis tanques anidados.

Refrigerado por el frigorífico más potente de su tipo, los tanques someten al detector a la temperatura más fría conocida registrada en un volumen de metro cúbico en todo el universo:menos 459 grados Fahrenheit (10 miliKelvin).

La matriz de detectores fue diseñada y ensamblada durante un período de 10 años. Está protegido de muchas partículas externas, como los rayos cósmicos que bombardean constantemente la Tierra, por el 1, 400 metros de roca por encima de ella, y por un grueso blindaje de plomo que incluye una forma de plomo empobrecida en radiación rescatada de un antiguo naufragio romano. También se prepararon otros materiales detectores en condiciones ultrapuras, y los detectores se ensamblaron en nitrógeno, Cajas de guantes selladas para evitar la contaminación del aire normal.

"Diseño, edificio, y operar CUORE ha sido un largo viaje y un logro fantástico, "dijo Ettore Fiorini, un físico italiano que desarrolló el concepto de los detectores sensibles al calor de CUORE (bolómetros de dióxido de telurio), y el portavoz emérito de la colaboración CUORE. "El empleo de detectores térmicos para estudiar los neutrinos tomó varias décadas y llevó al desarrollo de tecnologías que ahora se pueden aplicar en muchos campos de investigación".

Juntos pesan más de 1, 600 libras, La matriz de CUORE de cristales del tamaño de un puño es extremadamente sensible a los procesos de partículas, especialmente a esta temperatura extrema. Los instrumentos asociados pueden medir con precisión cambios de temperatura siempre leves en los cristales que resultan de estos procesos.

Los científicos de Berkeley Lab y Lawrence Livermore National Laboratory suministraron aproximadamente la mitad de los cristales para el proyecto CUORE. Además, el equipo de Berkeley Lab diseñó y fabricó los sensores de temperatura altamente sensibles, llamados termistores dopados por transmutación de neutrones, inventados por Eugene Haller, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y un miembro de la facultad de UC Berkeley.

Los investigadores de Berkeley Lab también diseñaron y construyeron una sala limpia especializada con aire sin radiactividad natural. para que los detectores CUORE puedan instalarse en el criostato en condiciones ultralimpias. Y los científicos e ingenieros de Berkeley Lab, bajo el liderazgo del postdoctorado de UC Berkeley Vivek Singh, trabajó con colegas italianos para encargar los sistemas criogénicos CUORE, incluyendo un sistema de enfriamiento excepcionalmente poderoso llamado refrigerador de dilución.

Los ex estudiantes postdoctorales de UC Berkeley Tom Banks y Tommy O'Donnell, que también tenía nombramientos conjuntos en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, dirigió el equipo internacional de físicos, ingenieros y técnicos para montar más de 10, 000 partes en torres en cajas de guantes llenas de nitrógeno. Se unieron casi 8, 000 hilos de oro, midiendo solo 25 micrones de diámetro, a almohadillas de 100 micrones en los sensores de temperatura, y en almohadillas de cobre conectadas al cableado del detector.

Las mediciones de CUORE llevan la firma reveladora de tipos específicos de interacciones de partículas o desintegraciones de partículas, un proceso espontáneo mediante el cual una partícula o partículas se transforman en otras partículas.

En doble desintegración beta, que se ha observado en experimentos anteriores, dos neutrones en el núcleo atómico de un elemento radiactivo se convierten en dos protones. También, se emiten dos electrones, junto con otras dos partículas llamadas antineutrinos.

Desintegración beta doble sin neutrinos, mientras tanto, el proceso específico para el que CUORE está diseñado para detectar o descartar, no produciría ningún antineutrino. Esto significaría que los neutrinos son sus propias antipartículas. Durante este proceso de descomposición, las dos partículas de antineutrino se eliminarían efectivamente entre sí, sin dejar rastro en el detector CUORE. La evidencia de este tipo de proceso de desintegración también ayudaría a los científicos a explicar el papel de los neutrinos en el desequilibrio de la materia frente a la antimateria en nuestro universo.

Se espera que la desintegración beta doble sin neutrinos sea extremadamente rara, ocurre como máximo (si es que ocurre) una vez cada 100 septillones (1 seguido de 26 ceros) años en el núcleo de un átomo dado. El gran volumen de cristales detectores está destinado a aumentar en gran medida la probabilidad de registrar un evento de este tipo durante la vida útil del experimento.

Existe una competencia creciente de experimentos nuevos y planificados para resolver si este proceso existe utilizando una variedad de técnicas de búsqueda, y Kolomensky señaló, "La competencia siempre ayuda. Impulsa el progreso, y también podemos verificar los resultados de los demás, y ayudarse unos a otros con la selección de materiales y las técnicas de análisis de datos ".

Lindley Winslow del Instituto de Tecnología de Massachusetts, quien coordinó el análisis de los datos de CUORE, dijo, "Estamos tentadoramente cerca de un territorio completamente inexplorado y hay una gran posibilidad de descubrimiento. Es un momento emocionante para estar en el experimento".