Tecnologia Científica

Cientistas demonstram um novo experimento na busca de processos teorizados de 'neutrinoless'
O esforço internacional para produzir o resultado do CUPID-Mo é notável, disse Schmidt, dado o contexto da pandemia global que lançou incertezas sobre a operação contínua do experimento.
Por Laboratório Nacional Lawrence Berkeley - 13/07/2020


O detector CUPID-Mo é instalado no criostato EDELWEISS no Modane Underground Laboratory (LSM) na França. Crédito: Colaboração CUPID-Mo

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

O experimento CUPID-Mo está entre um campo de experimentos que utilizam várias abordagens para detectar um processo de partículas teorizado, chamado decaimento beta duplo neutrinoless, que pode 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 de dados coletados pelo Berkeley Lab, coletados de março de 2019 a abril de 2020, estabeleceram 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 estabelece o limite para a meia-vida de decaimento beta duplo e sem neutrinos no Mo-100 em 1,4 vezes um trilhão de trilhões 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 é o tempo que leva para um isótopo radioativo lançar metade de sua radioatividade.

O processo de decaimento beta duplo e sem neutrinos é teorizado 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 metálica do isótopo, 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 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

Nenhuma experiência ainda confirmou se o processo neutrinoless existe. A existência desse processo confirmaria que os neutrinos servem como suas próprias antipartículas, 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 acrônimo CUPID significa CUORE Upgrade com identificação de partículas e "Mo" refere-se ao molibdênio contido no cristal do detector - são transmitidos do Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) na França ao supercomputador Cori no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do Berkeley Lab.

Os 20 cristais cilíndricos do CUPID-Mo são mostrados em sua caixa de cobre.
Crédito: Colaboração CUPID-Mo

Benjamin Schmidt, pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, 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 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 cilíndricos contêm lítio, oxigênio e o isótopo Mo-100 e produzem pequenos flashes de luz nas interações das partículas.

O esforço internacional para produzir o resultado do CUPID-Mo é notável, disse Schmidt, 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 às dificuldades associadas em fornecer ao experimento os líquidos criogênicos necessários", disse ele. .

Ele acrescentou: "Apesar dessa incerteza e das mudanças associadas ao fechamento de escritórios e escolas, bem como do acesso restrito ao laboratório subterrâneo, 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 apresentá-los no Neutrino 2020, uma conferência internacional virtual sobre física e astrofísica de neutrinos, organizada pela Fermi National Laboratório de Aceleração. 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 dos dados, disse Schmidt, era garantir que os detectores fossem calibrados adequadamente para registrar o "conjunto extremamente evasivo de eventos" que se prevê 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 interferências 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 isótopo radioativo do tálio, próximo ao detector. Os sinais gerados pelo decaimento desse isótopo estão com alta energia, mas não tão alta quanto a energia prevista para ser associada ao processo de decaimento sem nutrientes no Mo-100, se existir.

CUPID-Mo logo Crédito: colaboração CUPID-Mo

"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 região do sinal e explicar adequadamente as incertezas nessa extrapolação. . "

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

Preparando-se para o experimento de próxima geração na Itália

Embora o CUPID-Mo agora esteja atrasado em relação à sensibilidade nas medições obtidas por outros experimentos - que usam diferentes técnicas e materiais de detecção - porque é menor e ainda não reuniu tantos dados ", com o experimento completo do CUPID, que utilizará 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 túnel a mais de um quilômetro de profundidade na França, perto da fronteira italiana, e usa alguns componentes do Edelweiss III. Enquanto isso, propõe-se que o CUPID substitua o experimento de pesquisa de decaimento beta-duplo sem neutrinos do CUORE no Laboratório Nacional Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) na Itália. Enquanto o CUPID-Mo contém 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 poderá levar quatro ou cinco anos para ser construído", disse Yury Kolomensky, porta-voz da colaboração CUORE e cientista sênior 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 será uma 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 é apoiado por um grupo de laboratórios franceses e por laboratórios nos EUA, Ucrânia, Rússia, Itália, China e Alemanha.

O NERSC é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.

A colaboração do 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 Departamento de Energia dos EUA, Escritório 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 Ucrânia, National Science Foundation, o France-Berkeley Fund, o fundo MISTI-France e o Escritório de Ciência e Tecnologia da Embaixada da França nos EUA.

 

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