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地下丘比特-莫实验,寻找理论上的“无中微子”粒子过程

伯克利实验室的研究人员是一个国际小组的一部分,该小组报告了一个高灵敏度的测量地下丘比特-莫实验。

隶属于美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的核物理学家在一次演示实验的数据分析中发挥了主导作用,该实验达到了一种专门探测器材料的记录精度。

丘比特-莫实验是众多实验中的一个,这些实验正在使用各种方法来检测一种理论上的粒子过程,这种过程被称为无中微子双贝塔衰变,它可能会改变我们对中微子这种幽灵粒子的理解,以及它们在宇宙形成过程中的作用。

基于伯克利实验室领导的2019年3月至2020年4月收集的数据分析,丘比特-钼实验的初步结果为钼的同位素Mo-100的无中微子双衰变过程设定了世界领先的新极限。同位素是一种元素的形式,它在原子核中携带不同数量的被称为中子的不带电粒子。

新结果集限制近年双β衰变半衰期mo - 100年trillion-trillion年的1.4倍(这年代14其次是23 0),这是一个在灵敏度提高30%中微子埃托雷?马约喇纳天文台3 (NEMO 3),前一个实验操作在同一网站从2003年到2011年,还利用mo - 100。半衰期是指放射性同位素放射性下降一半所需要的时间。

无中微子双贝塔衰变过程理论上是非常缓慢和罕见的,经过一年的数据采集,在丘比特-莫天文台没有发现任何一个事件。

两个实验都在探测器阵列中使用了Mo-100, NEMO 3使用了这种同位素的箔状,而CUPID-Mo则使用了在某些粒子相互作用中产生闪光的晶体状。

伯克利实验室对丘比特-莫的贡献

目前还没有实验证实无中微子过程是否存在。这个过程的存在将证实中微子本身就是反粒子,这样的证据也将有助于解释为什么在我们的宇宙中物质比反物质更有优势。

所有来自丘比特-莫实验的数据–丘比特的首字母缩写代表CUORE Upgrade with Particle IDentification,以及mo&r oquo;为检测器晶体中所含钼–从法国的莫丹地下实验室(Modane souterrain de Modane实验室)传输到伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心的科里超级计算机上。

本杰明·施密特(Benjamin Schmidt)是伯克利实验室核科学部的博士后研究员,他领导了丘比特-莫实验结果的整体数据分析工作,并得到了伯克利实验室附属研究人员和其他国际合作成员的支持。

伯克利实验室还提供了40个传感器,可以读出由cupid - mo&o的20个晶体探测器阵列接收到的信号。该阵列被过冷至大约0.02开氏度(零下460华氏度),以保持其灵敏度。它的圆柱形晶体包含锂、氧和同位素Mo-100,并在粒子相互作用中产生微小的闪光。

施密特说,在全球大流行的背景下,产生丘比特-莫实验结果的国际努力是值得注意的,这给实验的继续进行投下了不确定性。

有一段时间,由于3月初欧洲爆发了COVID-19疫情,以及相关的低温液体供应困难,我们似乎不得不提前关闭CUPID-Mo实验。他说。

他补充说,尽管存在这种不确定性,以及关闭办公空间和学校以及限制进入地下实验室所带来的变化,我们的合作者仍尽一切努力在大流行期间继续进行实验。

施密特称赞了他领导的数据分析小组的努力,他们找到了在家工作的方法,及时得出了实验结果,并在中微子2020年(由费米国家加速器实验室主办的关于中微子物理学和天体物理学的虚拟国际会议)上展示了这些结果。CUPID-Mo合作项目的成员计划将研究结果提交给同行评议的科学杂志发表。

调整超灵敏的探测器

施密特说,在数据分析中一个特别的挑战是,如何确保探测器被适当地校准,以记录这一系列极其难以捉摸的事件。被预测与无中微子双衰变信号有关。

无中微子衰变过程有望在丘比特-莫探测器中产生非常高能量的信号和一道闪光。由于该信号具有如此高的能量,因此预计它不会受到自然辐射源的干扰。

为了测试丘比特-莫尔对高能信号的反应,研究人员在探测器阵列附近放置了其他高能信号源,包括铊的放射性同位素Tl-208。这一同位素衰变产生的信号能量很高,但如果存在的话,没有预测的Mo-100无中微子衰变过程的能量高。

因此,一个巨大的挑战是让我们自己相信我们可以用共同的光源校准我们的探测器,特别是Tl-208,施密特说,然后推断探测器对我们的信号区域的响应,并适当地解释这种推断中的不确定性。

进一步改善与高能的校准信号,核物理学家使用伯克利Lab’ s 88英寸回旋加速器产生一个包含Co-56线,的一个同位素钴有低水平的放射性物质,一旦回旋于上月在应对COVID-19暂时关闭后大流行。电线已经运到法国与CUPID-Mo探测器阵列一起测试。

准备在意大利进行下一代实验

虽然丘比特- mo现在可能落后于其他一些实验的测量灵敏度–使用不同的检测技术和材料–因为它更小,还没有收集到那么多的数据,而完整的丘比特实验将使用大约100倍以上的Mo-100,并且已经运行了10年,我们在寻找和发现无中微子双贝塔衰变方面有很好的前景。施密特说。

CUPID-Mo被安装在雪绒花III暗物质搜索实验的地点,该实验地点位于法国靠近意大利边境一英里多深的隧道中,使用了雪绒花III的一些组件。与此同时,丘比特被提议取代意大利大萨索国家实验室的CUORE无中微子双贝塔衰变搜索实验。丘比特- mo只有20颗探测器晶体,而丘比特则有超过1500颗。

在CUORE用两到三年完成数据采集之后,丘比特探测器可能需要四到五年的时间来建造,库雷合作的美国发言人尤里·科洛门斯基说,他也是伯克利实验室的资深教员科学家,该实验室领导着库雷在美国的合作。就成本和技术挑战而言,丘比特只是一个相对适度的升级,但就灵敏度而言,它将是一个显著的改进。

丘比特-莫的物理数据采集工作已于6月22日结束,而在最新结果中未被考虑的新数据在总体数据中增长了约20%至30%。CUPID-Mo是由一组法国实验室和美国实验室支持的美国、乌克兰、俄罗斯、意大利、中国和德国。

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为了确定中微子的性质,丘比特-莫实验设定了一个新的世界领先的无中微子双贝塔衰变极限,法国经济委员会,2020年6月28日。

NERSC是美国能源部科学用户设施办公室。

CUPID-Mo合作项目汇集了来自27个机构的研究人员,包括法国实验室Irfu/CEA和位于奥赛的IJCLab;在里昂IP2I;以及格勒诺布尔的国家研究所和SIMaP,以及美国的一些机构美国、乌克兰、俄罗斯、意大利、中国和德国。

实验是由美国能源部Science&rsquo办公室;办公室核物理,伯克利的研究计算程序,国家de la矫揉造作的,想象国际相关实验室(LIA),俄罗斯科学基金会,乌克兰国家科学院国家科学基金会France-Berkeley基金MISTI-France基金和办公室的科学,法国驻美国大使馆的技术

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