Kernfysici verbonden aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy speelden een leidende rol bij het analyseren van gegevens voor een demonstratie-experiment dat recordprecisie heeft bereikt voor een gespecialiseerd detectormateriaal.

Het CUPID-Mo-experiment is een van de experimenten die verschillende benaderingen gebruiken om een ​​theoretisch deeltjesproces te detecteren, neutrinoloos dubbel-bèta-verval genoemd, die ons begrip van spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, zou kunnen herzien, en van hun rol in de vorming van het universum.

De voorlopige resultaten van het CUPID-Mo-experiment, gebaseerd op de door Berkeley Lab geleide analyse van gegevens verzameld van maart 2019 tot april 2020, een nieuwe wereldleidende limiet voor het neutrinoloze dubbel-bèta-vervalproces in een isotoop van molybdeen bekend als Mo-100. Isotopen zijn vormen van een element die een ander aantal ongeladen deeltjes, neutronen genaamd, in hun atoomkernen dragen.

Het nieuwe resultaat stelt de limiet voor de neutrinoloze dubbele bètavervalhalfwaardetijd in Mo-100 op 1,4 keer per biljoen biljoen jaar (dat is 14 gevolgd door 23 nullen), dat is een verbetering van 30% in gevoeligheid ten opzichte van het Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), een eerder experiment dat van 2003-2011 op dezelfde locatie werkte en ook Mo-100 gebruikte. Een halfwaardetijd is de tijd die een radioactieve isotoop nodig heeft om de helft van zijn radioactiviteit af te stoten.

Er wordt aangenomen dat het neutrinoloze dubbel-bèta-vervalproces erg langzaam en zeldzaam is, en na een jaar van gegevensverzameling werd geen enkele gebeurtenis gedetecteerd in CUPID-Mo.

Hoewel beide experimenten Mo-100 in hun detectorarrays gebruikten, NEMO 3 gebruikte een folievorm van de isotoop, terwijl CUPID-Mo een kristalvorm gebruikte die lichtflitsen produceert bij bepaalde interacties tussen deeltjes.

Grotere experimenten die verschillende detectormaterialen gebruiken en die voor langere tijd werken, hebben een grotere gevoeligheid bereikt, hoewel het gerapporteerde vroege succes van CUPID-Mo de weg vrijmaakt voor een gepland vervolgexperiment genaamd CUPID met een detectorarray die 100 keer groter zal zijn.

Bijdragen van Berkeley Lab aan CUPID-Mo

Geen enkel experiment heeft nog bevestigd of het neutrinoloze proces bestaat. Het bestaan ​​van dit proces zou bevestigen dat neutrino's dienen als hun eigen antideeltjes, en dergelijk bewijs zou ook helpen verklaren waarom materie het in ons universum won van antimaterie.

Alle gegevens van het CUPID-Mo-experiment - het acroniem CUPID staat voor CUORE Upgrade with Particle IDentification, en "Mo" staat voor het molybdeen in het detectorkristal - wordt verzonden van het Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) in Frankrijk naar de Cori-supercomputer in het National Energy Research Scientific Computing Center van Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, een postdoctoraal onderzoeker in de Nuclear Science Division van Berkeley Lab, leidde de algemene gegevensanalyse-inspanning voor het CUPID-Mo-resultaat, en werd ondersteund door een team van aan Berkeley Lab gelieerde onderzoekers en andere leden van de internationale samenwerking.

Berkeley Lab droeg ook 40 sensoren bij die het uitlezen van signalen mogelijk maakten die werden opgepikt door CUPID-Mo's 20-kristallen detectorarray. De array werd onderkoeld tot ongeveer 0,02 kelvin, of min 460 graden Fahrenheit, om zijn gevoeligheid te behouden. De cilindrische kristallen bevatten lithium, zuurstof, en de isotoop Mo-100, en produceren kleine lichtflitsen in deeltjesinteracties.

De internationale inspanning om het CUPID-Mo-resultaat te produceren is opmerkelijk, Schmidt zei, gezien de context van de wereldwijde pandemie die onzekerheid had gewekt over de voortzetting van het experiment.

"Een tijdje zag het er naar uit dat we het CUPID-Mo-experiment voortijdig zouden moeten stopzetten vanwege de uitbraak van COVID-19 in Europa begin maart en de daarmee samenhangende moeilijkheden om het experiment van de benodigde cryogene vloeistoffen te voorzien, " hij zei.

Hij voegde toe, "Ondanks deze onzekerheid en de veranderingen die gepaard gaan met de sluiting van kantoorruimtes en scholen, evenals beperkte toegang tot het ondergrondse laboratorium, onze medewerkers hebben er alles aan gedaan om het experiment tijdens de pandemie draaiende te houden."

Schmidt prees de inspanningen van de data-analysegroep die hij leidde voor het vinden van een manier om vanuit huis te werken en de resultaten van het experiment op tijd te produceren om ze te presenteren op Neutrino 2020, een virtuele internationale conferentie over neutrinofysica en astrofysica georganiseerd door Fermi National Accelerator Laboratory. Leden van de CUPID-Mo-samenwerking zijn van plan de resultaten in te dienen voor publicatie in een peer-reviewed wetenschappelijk tijdschrift.

Ultragevoelige detectoren afstemmen

Een bijzondere uitdaging in de data-analyse, Schmidt zei, was om ervoor te zorgen dat de detectoren correct waren gekalibreerd om de "extreem ongrijpbare reeks gebeurtenissen" vast te leggen waarvan wordt voorspeld dat ze geassocieerd zijn met een signaal van neutrinoloos dubbel-bèta-verval.

Het neutrinoloze vervalproces zal naar verwachting een zeer hoogenergetisch signaal genereren in de CUPID-Mo-detector en een lichtflits. Het signaal, omdat het zo'n hoge energie heeft, wordt verwacht vrij te zijn van interferentie door natuurlijke bronnen van radioactiviteit.

Om de reactie van CUPID-Mo op hoogenergetische signalen te testen, onderzoekers hadden andere bronnen van hoogenergetische signalen geplaatst, inclusief Tl-208, een radioactieve isotoop van thallium, in de buurt van de detectorarray. De signalen die worden gegenereerd door het verval van deze isotoop hebben een hoge energie, maar niet zo hoog als de voorspelde energie die geassocieerd is met het neutrinoloze vervalproces in Mo-100, als het bestaat.

"Vandaar, een grote uitdaging was om onszelf ervan te overtuigen dat we onze detectoren kunnen kalibreren met gemeenschappelijke bronnen, in het bijzonder Tl-208, "Schmidt zei, "en extrapoleer vervolgens de detectorrespons naar ons signaalgebied en houd op de juiste manier rekening met de onzekerheden in deze extrapolatie."

Om de kalibratie met hoogenergetische signalen verder te verbeteren, kernfysici gebruikten Berkeley Lab's 88-inch Cyclotron om een ​​draad te produceren die Co-56 bevat, een isotoop van kobalt met een lage radioactiviteit, zodra de cyclotron vorige maand heropend werd na een tijdelijke sluiting als reactie op de COVID-19-pandemie. De draad is naar Frankrijk verscheept om te testen met de CUPID-Mo detectorarray.

Voorbereiding op next-gen experiment in Italië

Hoewel CUPID-Mo nu mogelijk achterblijft bij de gevoeligheid in metingen die zijn bereikt door enkele andere experimenten - die verschillende detectortechnieken en materialen gebruiken - omdat het kleiner is en nog niet zoveel gegevens heeft verzameld, "Met het volledige CUPID-experiment, die ongeveer 100 keer meer Mo-100 zal gebruiken, en met 10 jaar werking, we hebben uitstekende vooruitzichten voor het zoeken naar en mogelijke ontdekking van neutrinoloos dubbel-bèta-verval, ' zei Schmidt.

CUPID-Mo werd geïnstalleerd op de plaats van het Edelweiss III-experiment voor het zoeken naar donkere materie in een tunnel van meer dan anderhalve kilometer diep in Frankrijk, nabij de Italiaanse grens, en gebruikt enkele Edelweiss III-componenten. CUPIDO, In de tussentijd, wordt voorgesteld ter vervanging van het CUORE neutrinoless dubbel-bèta verval-zoekexperiment in het Gran Sasso National Laboratory (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in Italië. Terwijl CUPID-Mo slechts 20 detectorkristallen bevat, CUPID zou meer dan 1 bevatten, 500.

"Nadat CUORE binnen twee of drie jaar klaar is met het verzamelen van gegevens, de CUPID-detector kan vier of vijf jaar duren om te bouwen, " zei Joeri Kolomenski, Amerikaanse woordvoerder van de CUORE-samenwerking en senior faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab, die de Amerikaanse samenwerking van CUORE leidt. "CUPID zou een relatief bescheiden upgrade zijn in termen van kosten en technische uitdagingen, maar het zal een aanzienlijke verbetering zijn in termen van gevoeligheid."

Fysische gegevensverwerking voor CUPID-Mo afgerond op 22 juni en nieuwe gegevens die niet in het laatste resultaat werden meegenomen, vertegenwoordigen een groei van ongeveer 20% tot 30% in de totale gegevens. CUPID-Mo wordt ondersteund door een groep Franse laboratoria, en door laboratoria in de VS, Oekraïne, Rusland, Italië, China, en Duitsland.

NERSC is een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

De CUPID-Mo samenwerking brengt onderzoekers van 27 instellingen samen, waaronder de Franse laboratoria Irfu/CEA en IJCLab in Orsay; IP2I in Lyon; en Institut Néel en SIMaP in Grenoble, evenals instellingen in de VS, Oekraïne, Rusland, Italië, China, en Duitsland.

Het experiment wordt ondersteund door het Office of Nuclear Physics van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science, Berkeley Research Computing-programma, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE Internationaal Geassocieerd Laboratorium (LIA), Russische Wetenschapsstichting, Nationale Academie van Wetenschappen van Oekraïne, Nationale Wetenschaps Instituut, het Fonds Frankrijk-Berkeley, het MISTI-France-fonds, en het Office for Science &Technology van de Ambassade van Frankrijk in de V.S.