Fa­sicos nucleares afiliados ao Laborata³rio Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) desempenharam um papel de liderana§a na análise de dados de um experimento de demonstração que alcana§ou precisão recorde para um material detector especializado.

O experimento CUPID-Mo estãoentre um campo de experimentos que utilizam várias abordagens para detectar um processo departículas teorizado, chamado decaimento beta duplo neutrinoless, que pode revisar nossa compreensão daspartículas fantasmaga³ricas chamadas neutrinos e de seu papel na formação do universo.

Os resultados preliminares do experimento CUPID-Mo, com base na análise de dados coletados pelo Berkeley Lab, coletados de mara§o de 2019 a abril de 2020, estabeleceram um novo limite lider mundial para o processo de decaimento beta duplo sem neutrinos em um isãotopo de molibdaªnio conhecido como Mo-100. Isãotopos são formas de um elemento que carrega um número diferente departículas não carregadas chamadas naªutrons em seus núcleos ata´micos.

O novo resultado estabelece o limite para a meia-vida de decaimento beta duplo e sem neutrinos no Mo-100 em 1,4 vezes um trilha£o de trilhaµes de anos (14 seguidos por 23 zeros), o que representa uma melhoria de 30% na sensibilidade em relação ao Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), um experimento anterior que operou no mesmo local de 2003 a 2011 e também usou o Mo-100. Meia-vida éo tempo que leva para um isãotopo radioativo lana§ar metade de sua radioatividade.

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

Enquanto os dois experimentos usaram Mo-100 em suas matrizes de detectores , o NEMO 3 utilizou uma forma meta¡lica do isãotopo, enquanto o CUPID-Mo utilizou uma forma cristalina que produz flashes de luz em determinadas interações de partículas

Experimentos maiores que usam materiais detectores diferentes e que operam por períodos mais longos obtiveram maior sensibilidade, embora o sucesso inicial relatado do CUPID-Mo prepare o cena¡rio para um experimento sucessor planejado chamado CUPID com um conjunto de detectores que será100 vezes maior.

Nenhuma experiência ainda confirmou se o processo neutrinoless existe. A existaªncia desse processo confirmaria que os neutrinos servem como suas próprias antiparta­culas, e essa prova também ajudaria a explicar por que a matéria venceu a antimatéria em nosso universo.

 

Todos os dados do experimento CUPID-Mo - o acra´nimo CUPID significa CUORE Upgrade com identificação departículas e "Mo" refere-se ao molibdaªnio contido no cristal do detector - são transmitidos do Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) na Frana§a ao supercomputador Cori no Centro Nacional de Computação Cienta­fica de Pesquisa Energanãtica do Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, pesquisador de pa³s-doutorado na Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, liderou o esfora§o 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 permitiam a leitura dos sinais captados pelo conjunto de detectores de 20 cristais do CUPID-Mo. O conjunto foi super-resfriado a cerca de 0,02 kelvin, ou menos 460 graus Fahrenheit, para manter sua sensibilidade. Seus cristais cila­ndricos contem la­tio, oxigaªnio e o isãotopo Mo-100 e produzem pequenos flashes de luz nas interações das partículas

O esfora§o internacional para produzir o resultado do CUPID-Mo énota¡vel, disse Schmidt, dado o contexto da pandemia global que lançou incertezas sobre a operação conta­nua do experimento.

"Por um tempo, parecia que tera­amos que encerrar o experimento CUPID-Mo prematuramente, devido ao surto de COVID-19 na Europa no ini­cio de mara§o e a s dificuldades associadas em fornecer ao experimento os la­quidos criogaªnicos necessa¡rios", disse ele. .

Ele acrescentou: "Apesar dessa incerteza e dasmudanças associadas ao fechamento de escrita³rios e escolas, bem como do acesso restrito ao laboratório subterra¢neo, nossos colaboradores fizeram todos os esforços para manter o experimento na pandemia".

Schmidt creditou os esforços do grupo de análise de dados que ele liderou para encontrar uma maneira de trabalhar em casa e produzir os resultados do experimento a tempo de apresenta¡-los no Neutrino 2020, uma conferaªncia internacional virtual sobre física e astrofa­sica de neutrinos, organizada pela Fermi National Laborata³rio de Aceleração. Os membros da colaboração CUPID-Mo estãoplanejando enviar os resultados para publicação em uma revista cienta­fica revisada por pares.

Um desafio particular na análise dos dados, disse Schmidt, era garantir que os detectores fossem calibrados adequadamente para registrar o "conjunto extremamente evasivo de eventos" que se prevaª associar a um sinal de decaimento beta duplo sem neutrinos.

Espera-se que o processo de decaimento de neutrinoless gere um sinal de energia muito alta no detector CUPID-Mo e um flash de luz. Espera-se que o sinal, por estar em uma energia tão alta, esteja livre de interferaªncias de fontes naturais de radioatividade.

Para testar a resposta do CUPID-Mo aos sinais de alta energia, os pesquisadores colocaram outras fontes de sinais de alta energia, incluindo o Tl-208, um isãotopo radioativo do ta¡lio, pra³ximo ao detector. Os sinais gerados pelo decaimento desse isãotopo estãocom alta energia, mas não tão alta quanto a energia prevista para ser associada ao processo de decaimento sem nutrientes no Mo-100, se existir.

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

Para melhorar ainda mais a calibração com sinais de alta energia, os fa­sicos nucleares usaram o Cyclotron de 88 polegadas da Berkeley Lab para produzir um fio contendo Co-56, um isãotopo de cobalto com baixonívelde radioatividade, assim que o ciclotron reabriu no maªs passado. após um desligamento tempora¡rio em resposta a  pandemia do COVID-19. O fio foi enviado para a Frana§a para teste com o conjunto de detectores CUPID-Mo.

Embora o CUPID-Mo agora esteja atrasado em relação a  sensibilidade nas medições obtidas por outros experimentos - que usam diferentes técnicas e materiais de detecção - porque émenor e ainda não reuniu tantos dados ", com o experimento completo do CUPID, que utilizara¡ 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 neutrinoless ", disse Schmidt.

O CUPID-Mo foi instalado no local do experimento de pesquisa de matéria escura Edelweiss III em um taºnel a mais de um quila´metro de profundidade na Frana§a, perto da fronteira italiana, e usa alguns componentes do Edelweiss III. Enquanto isso, propaµe-se que o CUPID substitua o experimento de pesquisa de decaimento beta-duplo sem neutrinos do CUORE no Laborata³rio Nacional Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) na Ita¡lia. Enquanto o CUPID-Mo contanãm apenas 20 cristais detectores, o CUPID conteria mais de 1.500.

"Depois que o CUORE concluir a coleta de dados em dois ou três anos, o detector CUPID podera¡ levar quatro ou cinco anos para ser construa­do", disse Yury Kolomensky, porta-voz da colaboração CUORE e cientista saªnior do corpo docente do Berkeley Lab, que lidera a colaboração da CUORE nos EUA. . "O CUPID seria uma atualização relativamente modesta em termos de custos e desafios técnicos, mas seráuma melhoria significativa em termos de sensibilidade".

A coleta de dados de física para o CUPID-Mo terminou em 22 de junho, e novos dados que não foram considerados no resultado mais recente representam um crescimento de 20% a 30% nos dados gerais. O CUPID-Mo éapoiado por um grupo de laboratórios franceses e por laboratórios nos EUA, Ucra¢nia, Raºssia, Ita¡lia, China e Alemanha.

O NERSC éuma instalação de usua¡rio do DOE Office of Science.

A colaboração do CUPID-Mo reaºne pesquisadores de 27 instituições, incluindo os laboratórios franceses Irfu / CEA e IJCLab em Orsay; IP2I em Lyon; e Institut Nanãel e SIMaP em Grenoble, bem como instituições nos EUA, Ucra¢nia, Raºssia, Ita¡lia, China e Alemanha.

O experimento éapoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escrita³rio de Ciências Nucleares, programa Berkeley Research Computing, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE International Associated Laboratory (LIA), Russian Science Foundation, Academia Nacional de Ciências da Ucra¢nia, National Science Foundation, o France-Berkeley Fund, o fundo MISTI-France e o Escrita³rio de Ciência e Tecnologia da Embaixada da Frana§a nos EUA.