O primeiro vislumbre de dados do conjunto completo de um detector de partículas profundamente resfriadas operando sob uma montanha na Itália estabelece os limites mais precisos de onde os cientistas podem encontrar um processo teorizado para ajudar a explicar por que há mais matéria do que antimatéria no universo.

Este novo resultado, publicado online em arXiv.org e submetido hoje à revista Cartas de revisão física , baseia-se em dois meses de dados coletados do detector completo do experimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) no Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear (INFN) dos Laboratórios Nacionais Gran Sasso (LNGS) na Itália. CUORE significa "coração" em italiano.

O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) lidera o esforço de física nuclear dos EUA para a colaboração internacional CUORE, que tem cerca de 150 membros de 25 instituições. O programa de física nuclear dos EUA fez contribuições substanciais para a fabricação e liderança científica do detector CUORE.

CUORE é considerado um dos esforços mais promissores para determinar se pequenas partículas elementares chamadas neutrinos, que raramente interagem com a matéria, são "partículas de Majorana" - idênticas às suas próprias antipartículas. A maioria das outras partículas são conhecidas por terem antipartículas que têm a mesma massa, mas uma carga diferente, por exemplo. CUORE também pode nos ajudar a identificar as massas exatas dos três tipos, ou "sabores, "de neutrinos - os neutrinos têm a capacidade incomum de se transformar em diferentes formas.

"Esta é a primeira amostra do que um instrumento deste tamanho é capaz de fazer, "disse Oliviero Cremonesi, um cientista sênior do corpo docente da INFN e porta-voz da colaboração CUORE. Já, a sensibilidade do conjunto de detectores total excedeu a precisão das medições relatadas em abril de 2015, após uma execução de teste bem-sucedida de dois anos que recrutou uma torre de detector. Nos próximos cinco anos, o CUORE coletará cerca de 100 vezes mais dados.

Yury Kolomensky, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciência Nuclear do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e porta-voz dos EUA para a colaboração CUORE, disse, "O detector está funcionando excepcionalmente bem e esses dois meses de dados são suficientes para ultrapassar os limites anteriores." Kolomensky também é professor do Departamento de Física da UC Berkeley.

Os novos dados fornecem um intervalo estreito no qual os cientistas podem esperar ver qualquer indicação do processo de partículas que foi projetado para encontrar, conhecido como decaimento beta duplo sem neutrinos.

"CUORE é, em essência, um dos termômetros mais sensíveis do mundo, "disse Carlo Bucci, coordenador técnico do experimento e porta-voz italiano da colaboração CUORE. Seus detectores, formada por 19 "torres" em forma de cobre, que abrigam cada uma uma matriz de 52 cubos, cristais de dióxido de telúrio altamente purificados, estão suspensos dentro da câmara mais interna de seis tanques aninhados.

Resfriado pela geladeira mais potente de seu tipo, os tanques submetem o detector à temperatura mais fria conhecida registrada em um volume de metro cúbico em todo o universo:menos 459 graus Fahrenheit (10 miliKelvin).

O conjunto de detectores foi projetado e montado ao longo de um período de 10 anos. É protegido de muitas partículas externas, como os raios cósmicos que bombardeiam constantemente a Terra, pelo 1, 400 metros de rocha acima dela, e por uma espessa blindagem de chumbo que inclui uma forma de chumbo sem radiação resgatada de um antigo naufrágio romano. Outros materiais de detecção também foram preparados em condições ultrapuras, e os detectores foram montados em nitrogênio, caixas de luvas seladas para evitar a contaminação do ar normal.

"Projetando, construção, e operar CUORE tem sido uma longa jornada e uma conquista fantástica, "disse Ettore Fiorini, um físico italiano que desenvolveu o conceito de detectores sensíveis ao calor da CUORE (bolômetros de dióxido de telúrio), e o porta-voz emérito da colaboração CUORE. "Empregar detectores térmicos para estudar neutrinos levou várias décadas e trouxe para o desenvolvimento de tecnologias que agora podem ser aplicadas em muitos campos de pesquisa."

Juntos pesando mais de 1, 600 libras, A matriz do CUORE de cristais do tamanho de um punho é extremamente sensível aos processos de partículas, especialmente nesta temperatura extrema. Instrumentos associados podem medir com precisão as mudanças de temperatura nos cristais resultantes desses processos.

Os cientistas do Berkeley Lab e do Lawrence Livermore National Laboratory forneceram cerca de metade dos cristais para o projeto CUORE. Além disso, a equipe do Berkeley Lab projetou e fabricou os sensores de temperatura altamente sensíveis - chamados de termistores dopados por transmutação de nêutrons - inventados por Eugene Haller, um cientista sênior do corpo docente na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e um membro do corpo docente da UC Berkeley.

Os pesquisadores do Berkeley Lab também projetaram e construíram uma sala limpa especializada fornecida com ar sem radioatividade natural, de modo que os detectores CUORE possam ser instalados no criostato em condições ultralimpas. E cientistas e engenheiros do Berkeley Lab, sob a liderança do pós-doutorado da UC Berkeley Vivek Singh, trabalhou com colegas italianos para comissionar os sistemas criogênicos CUORE, incluindo um sistema de resfriamento excepcionalmente poderoso chamado refrigerador de diluição.

Ex-alunos de pós-doutorado da UC Berkeley, Tom Banks e Tommy O'Donnell, que também tinha nomeações conjuntas na Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, liderou a equipe internacional de físicos, engenheiros, e técnicos para montar mais de 10, 000 peças em torres em caixas de luvas cheias de nitrogênio. Eles se uniram quase 8, 000 fios de ouro, medindo apenas 25 mícrons de diâmetro, para almofadas de tamanho de 100 mícrons nos sensores de temperatura, e em almofadas de cobre conectadas à fiação do detector.

As medições CUORE carregam a assinatura reveladora de tipos específicos de interações de partícula ou decaimento de partícula - um processo espontâneo pelo qual uma partícula ou partículas se transformam em outras partículas.

No decaimento beta duplo, que foi observado em experimentos anteriores, dois nêutrons no núcleo atômico de um elemento radioativo tornam-se dois prótons. Também, dois elétrons são emitidos, junto com duas outras partículas chamadas antineutrinos.

Decaimento beta duplo sem neutrinos, entretanto - o processo específico que CUORE é projetado para encontrar ou descartar - não produziria nenhum antineutrino. Isso significaria que os neutrinos são suas próprias antipartículas. Durante este processo de decomposição, as duas partículas de antineutrino se eliminariam efetivamente, não deixando rastros no detector CUORE. As evidências desse tipo de processo de decaimento também ajudariam os cientistas a explicar o papel dos neutrinos no desequilíbrio da matéria versus antimatéria em nosso universo.

Espera-se que o decaimento beta duplo sem neutrinos seja extremamente raro, ocorrendo no máximo (se ocorrer) uma vez a cada 100 septilhões (1 seguido por 26 zeros) anos no núcleo de um dado átomo. O grande volume de cristais detectores tem como objetivo aumentar muito a probabilidade de registrar tal evento durante o tempo de vida do experimento.

Há uma competição crescente de experimentos novos e planejados para resolver se esse processo existe usando uma variedade de técnicas de pesquisa, e Kolomensky observou, "A competição sempre ajuda. Ela impulsiona o progresso, e também podemos verificar os resultados uns dos outros, e ajudar uns aos outros com triagem de materiais e técnicas de análise de dados. "

Lindley Winslow, do Massachusetts Institute of Technology, que coordenou a análise dos dados CUORE, disse, "Estamos tentadoramente perto de um território completamente inexplorado e há grande possibilidade de descoberta. É um momento emocionante para o experimento."