Los físicos nucleares afiliados al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. 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, llamada desintegración doble beta sin neutrinos, que podría revisar nuestra comprensión de las partículas fantasmales llamadas neutrinos, y de su papel en la formación del universo.

Los resultados preliminares del experimento CUPID-Mo, basado en el análisis dirigido por Berkeley Lab de los datos recopilados desde marzo de 2019 hasta abril de 2020, estableció un nuevo límite líder mundial para el proceso de desintegración doble beta sin neutrinos en un isótopo de molibdeno conocido como Mo-100. Los isótopos son formas de un elemento que transportan un número diferente de partículas sin carga llamadas neutrones en sus núcleos atómicos.

El nuevo resultado establece el límite de la vida media de desintegración doble beta sin neutrinos en el Mo-100 en 1,4 veces un billón de billones de años (es decir, 14 seguido de 23 ceros). que es una mejora del 30% en la sensibilidad sobre el Observatorio Neutrino Ettore Majorana 3 (NEMO 3), un experimento anterior que operó en el mismo sitio de 2003 a 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 utilizaron Mo-100 en sus matrices 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.

Experimentos más grandes que utilizan diferentes materiales detectores y que operan durante períodos de tiempo más largos 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 veces más 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 Actualización CUORE con identificación de partículas, y "Mo" es para el molibdeno contenido en el cristal detector, se transmite desde el Laboratorio Subterráneo Modane (Laboratoire souterrain de Modane) en Francia a la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, investigador postdoctoral en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab, lideró el esfuerzo general de análisis de datos para el resultado 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 señales captadas por la matriz de detectores de 20 cristales de CUPID-Mo. La matriz 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 interacciones de partículas.

El esfuerzo internacional para producir el resultado CUPID-Mo es notable, Schmidt dijo:dado el contexto de la pandemia mundial que había arrojado incertidumbre sobre el funcionamiento continuo del experimento.

"Durante un tiempo pareció que tendríamos que cerrar el experimento CUPID-Mo de forma prematura debido al brote de COVID-19 en Europa a principios de marzo y las dificultades asociadas para suministrar el experimento con los líquidos criogénicos necesarios". " él dijo.

Él agregó, "A pesar de esta incertidumbre y los cambios asociados con el cierre de oficinas y escuelas, así como el acceso restringido al laboratorio subterráneo, nuestros colaboradores hicieron todo lo posible para que el experimento siguiera funcionando durante la pandemia ".

Schmidt dio crédito a los esfuerzos del grupo de análisis de datos que dirigió por 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 de Neutrinos y Astrofísica organizada por Fermi National Accelerator Laboratory. Los miembros de la colaboración CUPID-Mo planean enviar los resultados para su publicación en una revista científica revisada por pares.

Puesta a punto de detectores ultrasensibles

Un desafío particular en el análisis de datos, Schmidt dijo:consistió en asegurar que los detectores estuvieran debidamente calibrados para registrar el "conjunto de eventos extremadamente elusivos" que se predice que estarán asociados con una señal de desintegración doble beta sin neutrinos.

Se espera que el proceso de desintegración sin neutrinos genere una señal de muy alta energía en el detector CUPID-Mo y un destello de luz. La señal, porque tiene una energía tan alta, se espera que esté libre de interferencias de fuentes naturales de radiactividad.

Para probar la respuesta de CUPID-Mo a señales de alta energía, los investigadores habían colocado otras fuentes de señales de alta energía, incluido Tl-208, un isótopo radiactivo de talio, cerca de la matriz de detectores. Las señales generadas por la desintegración de este isótopo son de alta energía, pero no tan alto como la energía que se predice que se asociará con el proceso de desintegración sin neutrinos en el Mo-100, si existiera.

"Por eso, un gran desafío fue convencernos de que podemos calibrar nuestros detectores con fuentes comunes, en particular Tl-208, "Schmidt dijo, "y luego extrapolar la respuesta del detector a nuestra región de señal y tener en cuenta adecuadamente las incertidumbres en esta 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 contenía Co-56, un isótopo de cobalto que tiene un bajo nivel de radiactividad, tan pronto como el ciclotrón reabrió el mes pasado luego de un cierre temporal en respuesta a la pandemia de COVID-19. El cable se envió a Francia para su prueba con el conjunto de detectores CUPID-Mo.

Preparándose para el experimento de próxima generación en Italia

Si bien CUPID-Mo ahora puede estar por detrás de la sensibilidad en las mediciones logradas por algunos otros experimentos, que utilizan diferentes técnicas de detección y materiales, porque es más pequeño y aún no ha recopilado tantos datos, "Con el experimento CUPID completo, que utilizará aproximadamente 100 veces más Mo-100, y con 10 años de funcionamiento, 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 de más de una milla de profundidad en Francia. cerca de la frontera italiana, y utiliza algunos componentes de Edelweiss III. CUPIDO, mientras tanto, se propone reemplazar el experimento de búsqueda de desintegración doble beta sin neutrinos CUORE en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) en Italia. Mientras que CUPID-Mo contiene solo 20 cristales detectores, CUPID contendría más de 1, 500.

"Una vez que CUORE termine de tomar datos en dos o tres años, el detector CUPID podría tardar cuatro o cinco años en construirse, "dijo Yury Kolomensky, Portavoz de EE. UU. Para la colaboración CUORE y científico principal de la facultad en Berkeley Lab, que lidera la colaboración de CUORE en EE. UU. "CUPID sería una mejora 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 entre el 20% y el 30% en los datos generales. CUPID-Mo cuenta con el apoyo de un grupo de laboratorios franceses, y por laboratorios en los EE. UU., Ucrania, Rusia, Italia, Porcelana, y Alemania.

NERSC es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias 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, Porcelana, y Alemania.

El experimento cuenta con el apoyo de la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Programa de informática de investigación de Berkeley, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE International Associated Laboratory (LIA), Fundación de Ciencias de Rusia, Academia Nacional de Ciencias de Ucrania, Fundación Nacional de Ciencia, el Fondo Francia-Berkeley, el fondo MISTI-France, y la Oficina de Ciencia y Tecnología de la Embajada de Francia en EE. UU.