Físicos nucleares afiliados ao Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) desempenharam um papel importante na análise de dados para um experimento de demonstração que alcançou precisão recorde para um material detector especializado.

O experimento CUPID-Mo está entre um campo de experimentos que estão usando uma variedade de abordagens para detectar um processo de partícula teorizado, chamado decaimento beta duplo sem neutrinos, que poderia revisar nossa compreensão das partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos, e de seu papel na formação do universo.

Os resultados preliminares do experimento CUPID-Mo, com base na análise conduzida pelo Berkeley Lab de dados coletados de março de 2019 a abril de 2020, definir um novo limite líder mundial para o processo de decaimento beta duplo sem neutrinos em um isótopo de molibdênio conhecido como Mo-100. Isótopos são formas de um elemento que carrega um número diferente de partículas não carregadas chamadas nêutrons em seus núcleos atômicos.

O novo resultado define o limite da meia-vida do decaimento beta duplo sem neutrinos no Mo-100 em 1,4 vezes um trilhão-trilhão de anos (isso é 14 seguido por 23 zeros), que é uma melhoria de 30% na sensibilidade em relação ao Observatório 3 Neutrino Ettore Majorana (NEMO 3), um experimento anterior que operou no mesmo local de 2003-2011 e também usou o Mo-100. A meia-vida é o tempo que leva para um isótopo radioativo eliminar metade de sua radioatividade.

O processo de decaimento beta duplo sem neutrinos é teorizado como muito lento e raro, e nenhum evento foi detectado no CUPID-Mo após um ano de coleta de dados.

Embora ambos os experimentos usassem Mo-100 em seus conjuntos de detectores, O NEMO 3 usou uma forma de folha do isótopo, enquanto o CUPID-Mo usou uma forma de cristal que produz flashes de luz em certas interações de partículas.

Experimentos maiores que usam diferentes materiais de detector e que operam por longos períodos de tempo alcançaram maior sensibilidade, embora o sucesso inicial relatado de CUPID-Mo defina o cenário para um experimento sucessor planejado chamado CUPID com um conjunto de detectores que será 100 vezes maior.

Contribuições do Berkeley Lab para o CUPID-Mo

Nenhum experimento ainda confirmou se o processo sem neutrinos existe. A existência deste processo confirmaria que os neutrinos servem como suas próprias antipartículas, e tal prova também ajudaria a explicar por que a matéria venceu a antimatéria em nosso universo.

Todos os dados do experimento CUPID-Mo - o acrônimo CUPID significa CUORE Upgrade with Particle IDentification, e "Mo" é para o molibdênio contido no cristal do detector - é transmitido do Laboratório Subterrâneo Modane (Laboratoire souterrain de Modane) na França para o supercomputador Cori no Centro de Computação Científica de Pesquisa Energética Nacional do Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, um pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório de Berkeley, liderou o esforço geral de análise de dados para o resultado do CUPID-Mo, e foi apoiado por uma equipe de pesquisadores afiliados ao Berkeley Lab e outros membros da colaboração internacional.

O Berkeley Lab também contribuiu com 40 sensores que permitiram a leitura de sinais captados pelo conjunto de detectores de 20 cristais do CUPID-Mo. A matriz foi super-resfriada a cerca de 0,02 kelvin, ou 460 graus Fahrenheit negativos, para manter sua sensibilidade. Seus cristais cilíndricos contêm lítio, oxigênio, e o isótopo Mo-100, e produzir minúsculos flashes de luz em interações de partículas.

O esforço internacional para produzir o resultado CUPID-Mo é notável, Schmidt disse, dado o contexto da pandemia global que lançou incertezas sobre a operação contínua do experimento.

"Por um tempo, parecia que teríamos que encerrar o experimento CUPID-Mo prematuramente devido ao surto de COVID-19 na Europa no início de março e as dificuldades associadas em fornecer o experimento com os líquidos criogênicos necessários, " ele disse.

Ele adicionou, “Apesar desta incerteza e das mudanças associadas ao encerramento de espaços de escritórios e escolas, bem como acesso restrito ao laboratório subterrâneo, nossos colaboradores fizeram todos os esforços para manter o experimento funcionando durante a pandemia. "

Schmidt creditou os esforços do grupo de análise de dados que liderou para encontrar uma maneira de trabalhar em casa e produzir os resultados do experimento a tempo de apresentá-los na Neutrino 2020, uma Conferência Internacional virtual sobre Física e Astrofísica de Neutrinos organizada pelo Laboratório do Acelerador Nacional Fermi. Os membros da colaboração CUPID-Mo estão planejando enviar os resultados para publicação em uma revista científica revisada por pares.

Ajustando detectores ultrassensíveis

Um desafio particular na análise de dados, Schmidt disse, foi garantir que os detectores fossem devidamente calibrados para registrar o "conjunto extremamente elusivo de eventos" que se prevê serem associados a um sinal de decaimento beta duplo sem neutrinol.

Espera-se que o processo de decaimento sem neutrinos gere um sinal de energia muito alta no detector CUPID-Mo e um flash de luz. O sinal, porque está em uma energia tão alta, espera-se que esteja livre da interferência de fontes naturais de radioatividade.

Para testar a resposta do CUPID-Mo a sinais de alta energia, pesquisadores colocaram outras fontes de sinais de alta energia, incluindo Tl-208, um isótopo radioativo de tálio, perto da matriz do detector. Os sinais gerados pelo decaimento deste isótopo estão em alta energia, mas não tão alta quanto a energia prevista para ser associada ao processo de decaimento sem neutrinos em Mo-100, se existe.

"Portanto, um grande desafio foi nos convencer de que podemos calibrar nossos detectores com fontes comuns, em particular Tl-208, "Schmidt disse, "e então extrapolar a resposta do detector para nossa região de sinal e explicar adequadamente as incertezas nessa extrapolação."

Para melhorar ainda mais a calibração com sinais de alta energia, físicos nucleares usaram o ciclotron de 88 polegadas do Berkeley Lab para produzir um fio contendo Co-56, um isótopo de cobalto que tem um baixo nível de radioatividade, assim que o ciclotron reabriu no mês passado após um desligamento temporário em resposta à pandemia de COVID-19. O fio foi enviado para a França para teste com o conjunto de detectores CUPID-Mo.

Preparando-se para experimento de última geração na Itália

Embora o CUPID-Mo possa agora ficar para trás em relação à sensibilidade nas medições obtidas por alguns outros experimentos - que usam diferentes técnicas de detecção e materiais - porque é menor e ainda não reuniu tantos dados, "Com o experimento CUPID completo, que usará cerca de 100 vezes mais Mo-100, e com 10 anos de operação, temos excelentes perspectivas para a pesquisa e descoberta potencial de decaimento beta duplo sem neutrinos, "Schmidt disse.

O CUPID-Mo foi instalado no local do experimento de pesquisa de matéria escura Edelweiss III em um túnel com mais de um quilômetro de profundidade na França, perto da fronteira italiana, e usa alguns componentes Edelweiss III. CUPIDO, Enquanto isso, é proposto para substituir o experimento CUORE de pesquisa de decaimento beta duplo sem neutrinos no Laboratório Nacional Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) na Itália. Embora o CUPID-Mo contenha apenas 20 cristais detectores, CUPID conteria mais de 1, 500

"Depois que CUORE terminar a coleta de dados em dois ou três anos, o detector CUPID pode levar quatro ou cinco anos para ser construído, "disse Yury Kolomensky, Porta-voz da colaboração CUORE nos EUA e cientista sênior do Berkeley Lab, que está liderando a colaboração da CUORE nos EUA. "CUPID seria uma atualização relativamente modesta em termos de custo e desafios técnicos, mas será uma melhoria significativa em termos de sensibilidade. "

A coleta de dados de física para CUPID-Mo terminou em 22 de junho, e novos dados que não foram considerados no resultado mais recente representam um crescimento de cerca de 20% a 30% nos dados gerais. CUPID-Mo é apoiado por um grupo de laboratórios franceses, e por laboratórios nos EUA, Ucrânia, Rússia, Itália, China, e Alemanha.

O NERSC é um recurso do DOE Office of Science.

A colaboração CUPID-Mo reúne pesquisadores de 27 instituições, incluindo os laboratórios franceses Irfu / CEA e IJCLab em Orsay; IP2I em Lyon; e Institut Néel e SIMaP em Grenoble, bem como instituições nos EUA, Ucrânia, Rússia, Itália, China, e Alemanha.

O experimento é apoiado pelo Escritório de Física Nuclear do Departamento de Energia dos EUA, Programa Berkeley Research Computing, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE International Associated Laboratory (LIA), Russian Science Foundation, Academia Nacional de Ciências da Ucrânia, Fundação Nacional de Ciências, o Fundo France-Berkeley, o fundo MISTI-França, e o Escritório de Ciência e Tecnologia da Embaixada da França nos EUA