De eerste glimp van gegevens van de volledige reeks van een diepgekoelde deeltjesdetector die onder een berg in Italië werkt, stelt de meest precieze limieten tot nu toe op waar wetenschappers een theoretisch proces kunnen vinden om te helpen verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is.

Dit nieuwe resultaat, online gepubliceerd op arXiv.org en vandaag ingediend bij het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , is gebaseerd op twee maanden aan gegevens verzameld van de volledige detector van het CUORE-experiment (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) van de Gran Sasso National Laboratories (LNGS) van het Italiaanse National Institute for Nuclear Physics (INFN) in Italië. CUORE betekent "hart" in het Italiaans.

Het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy leidt de Amerikaanse kernfysica-inspanningen voor de internationale CUORE-samenwerking, die ongeveer 150 leden telt uit 25 instellingen. Het Amerikaanse kernfysicaprogramma heeft een substantiële bijdrage geleverd aan de fabricage en het wetenschappelijke leiderschap van de CUORE-detector.

CUORE wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende pogingen om te bepalen of kleine elementaire deeltjes, neutrino's, die slechts zelden in wisselwerking staan ​​met materie, zijn "Majorana-deeltjes" - identiek aan hun eigen antideeltjes. Van de meeste andere deeltjes is bekend dat ze antideeltjes hebben die dezelfde massa maar een andere lading hebben, bijvoorbeeld. CUORE kan ons ook helpen om de exacte massa's van de drie typen te achterhalen, of "smaken, " van neutrino's - neutrino's hebben het ongewone vermogen om in verschillende vormen te veranderen.

"Dit is de eerste preview van wat een instrument van dit formaat kan doen, " zei Oliviero Cremonesi, een senior faculteitswetenschapper bij INFN en woordvoerder van de CUORE-samenwerking. Nu al, de gevoeligheid van de volledige detectorarray overtrof de nauwkeurigheid van de metingen gerapporteerd in april 2015 na een succesvolle testrun van twee jaar waarbij één detectortoren werd ingeschakeld. In de komende vijf jaar zal CUORE ongeveer 100 keer meer data verzamelen.

Joeri Kolomenski, een senior faculteitswetenschapper in de Nuclear Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en een Amerikaanse woordvoerder van de CUORE-samenwerking, zei, "De detector werkt uitzonderlijk goed en deze twee maanden aan gegevens zijn voldoende om de vorige limieten te overschrijden." Kolomensky is ook een professor in de UC Berkeley Physics Department.

De nieuwe gegevens bieden een smal bereik waarbinnen wetenschappers enige indicatie zouden kunnen verwachten van het deeltjesproces dat het is ontworpen om te vinden, bekend als neutrinoloos dubbel bètaverval.

"CUORE is, in essentie, een van 's werelds meest gevoelige thermometers, " zei Carlo Bucci, technisch coördinator van het experiment en Italiaanse woordvoerder van de CUORE-samenwerking. Zijn detectoren, gevormd door 19 koperen "torens" die elk een matrix van 52 kubusvormige, sterk gezuiverde telluriumdioxidekristallen, zijn opgehangen in de binnenste kamer van zes geneste tanks.

Gekoeld door de krachtigste koelkast in zijn soort, de tanks onderwerpen de detector aan de koudste bekende temperatuur geregistreerd in een kubieke meter volume in het hele universum:min 459 graden Fahrenheit (10 milliKelvin).

De detectorarray is ontworpen en geassembleerd over een periode van 10 jaar. Het is afgeschermd van veel deeltjes van buitenaf, zoals kosmische straling die constant de aarde bombardeert, door de 1, 400 meter rots erboven, en door dikke loden afscherming die een stralingsarme vorm van lood bevat die is gered uit een oud Romeins scheepswrak. Andere detectormaterialen werden ook bereid in ultrazuivere omstandigheden, en de detectoren werden geassembleerd in met stikstof gevulde, verzegelde handschoenenkastjes om besmetting door gewone lucht te voorkomen.

"Ontwerpen, gebouw, en het bedienen van CUORE is een lange reis en een fantastische prestatie geweest, " zei Ettore Fiorini, een Italiaanse natuurkundige die het concept van CUORE's warmtegevoelige detectoren (telluriumdioxidebolometers) ontwikkelde, en de woordvoerder-emeritus van de CUORE-samenwerking. "Het gebruik van thermische detectoren om neutrino's te bestuderen heeft tientallen jaren geduurd en heeft geleid tot de ontwikkeling van technologieën die nu op veel onderzoeksgebieden kunnen worden toegepast."

Samen wegen meer dan 1, 600 pond, CUORE's matrix van kristallen ter grootte van een vuist is extreem gevoelig voor deeltjesprocessen, vooral bij deze extreme temperatuur. Bijbehorende instrumenten kunnen de steeds kleine temperatuurveranderingen in de kristallen die het gevolg zijn van deze processen nauwkeurig meten.

Wetenschappers van Berkeley Lab en Lawrence Livermore National Laboratory leverden ongeveer de helft van de kristallen voor het CUORE-project. In aanvulling, het Berkeley Lab-team ontwierp en fabriceerde de zeer gevoelige temperatuursensoren - genaamd neutronentransmutatie gedoteerde thermistors - uitgevonden door Eugene Haller, een senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een faculteitslid van UC Berkeley.

Onderzoekers van Berkeley Lab hebben ook een gespecialiseerde cleanroom ontworpen en gebouwd die wordt geleverd met lucht die is verarmd van natuurlijke radioactiviteit, zodat de CUORE-detectoren in ultraschone omstandigheden in de cryostaat konden worden geïnstalleerd. En Berkeley Lab wetenschappers en ingenieurs, onder leiding van UC Berkeley postdoc Vivek Singh, werkte samen met Italiaanse collega's om de CUORE cryogene systemen in gebruik te nemen, inclusief een uniek krachtig koelsysteem dat een verdunningskoelkast wordt genoemd.

Voormalige UC Berkeley postdoctorale studenten Tom Banks en Tommy O'Donnell, die ook gezamenlijke benoemingen had in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab, leidde het internationale team van natuurkundigen, ingenieurs, en technici om meer dan 10 te assembleren, 000 onderdelen in torens in met stikstof gevulde handschoenkasten. Ze bonden bijna 8, 000 gouden draden, met een diameter van slechts 25 micron, tot 100 micron formaat pads op de temperatuursensoren, en op koperen pads die zijn aangesloten op de bedrading van de detector.

CUORE-metingen dragen de veelbetekenende signatuur van specifieke soorten deeltjesinteracties of deeltjesverval - een spontaan proces waarbij een deeltje of deeltjes in andere deeltjes veranderen.

Bij dubbel bètaverval, die in eerdere experimenten is waargenomen, twee neutronen in de atoomkern van een radioactief element worden twee protonen. Ook, er worden twee elektronen uitgezonden, samen met twee andere deeltjes die antineutrino's worden genoemd.

Neutrinoloos dubbel bètaverval, ondertussen - het specifieke proces dat CUORE is ontworpen om te vinden of uit te sluiten - zou geen antineutrino's produceren. Dit zou betekenen dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn. Tijdens dit vervalproces zouden de twee antineutrinodeeltjes elkaar effectief wegvagen, laat geen sporen achter in de CUORE-detector. Bewijs voor dit type vervalproces zou wetenschappers ook helpen de rol van neutrino's in de onbalans van materie versus antimaterie in ons universum te verklaren.

Neutrinoloos dubbel-bèta-verval zal naar verwachting uiterst zeldzaam zijn, hoogstens (of helemaal niet) eens per 100 septiljoen (1 gevolgd door 26 nullen) jaar in de kern van een bepaald atoom. Het grote volume detectorkristallen is bedoeld om de kans op het opnemen van een dergelijke gebeurtenis tijdens de levensduur van het experiment aanzienlijk te vergroten.

Er is toenemende concurrentie van nieuwe en geplande experimenten om te bepalen of dit proces bestaat met behulp van een verscheidenheid aan zoektechnieken, en Kolomensky merkte op, "De concurrentie helpt altijd. Het zorgt voor vooruitgang, en ook kunnen we elkaars resultaten verifiëren, en elkaar helpen met materiaalscreening en data-analysetechnieken."

Lindley Winslow van het Massachusetts Institute of Technology, die de analyse van de CUORE-gegevens coördineerde, zei, "We zijn verleidelijk dicht bij volledig onontgonnen gebied en er is een grote kans op ontdekking. Het is een opwindende tijd om aan het experiment deel te nemen."