I fisici nucleari affiliati al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno svolto un ruolo di primo piano nell'analisi dei dati per un esperimento dimostrativo che ha raggiunto una precisione record per un materiale rivelatore specializzato.

L'esperimento CUPID-Mo è tra un campo di esperimenti che utilizzano una varietà di approcci per rilevare un processo particellare teorizzato, chiamato decadimento doppio beta senza neutrini, che potrebbe rivedere la nostra comprensione delle particelle spettrali chiamate neutrini, e del loro ruolo nella formazione dell'universo.

I risultati preliminari dell'esperimento CUPID-Mo, sulla base dell'analisi condotta dal Berkeley Lab dei dati raccolti da marzo 2019 ad aprile 2020, stabilire un nuovo limite mondiale per il processo di decadimento del doppio beta senza neutrini in un isotopo di molibdeno noto come Mo-100. Gli isotopi sono forme di un elemento che trasportano un diverso numero di particelle non cariche chiamate neutroni nei loro nuclei atomici.

Il nuovo risultato stabilisce il limite dell'emivita del decadimento del doppio beta senza neutrini in Mo-100 a 1,4 volte un trilione di trilioni di anni (ovvero 14 seguiti da 23 zeri), che è un miglioramento del 30% della sensibilità rispetto all'Osservatorio Neutrino Ettore Majorana 3 (NEMO 3), un esperimento precedente che ha operato nello stesso sito dal 2003-2011 e ha utilizzato anche Mo-100. Un'emivita è il tempo impiegato da un isotopo radioattivo per eliminare metà della sua radioattività.

Si teorizza che il processo di decadimento del doppio beta senza neutrini sia molto lento e raro, e non è stato rilevato un singolo evento in CUPID-Mo dopo un anno di acquisizione dei dati.

Sebbene entrambi gli esperimenti utilizzassero Mo-100 nei loro array di rivelatori, NEMO 3 ha utilizzato una forma a lamina dell'isotopo mentre CUPID-Mo ha utilizzato una forma cristallina che produce lampi di luce in determinate interazioni tra particelle.

Esperimenti più grandi che utilizzano diversi materiali di rilevamento e che operano per periodi di tempo più lunghi hanno raggiunto una maggiore sensibilità, anche se il successo iniziale riportato di CUPID-Mo pone le basi per un esperimento successore pianificato chiamato CUPID con un array di rivelatori che sarà 100 volte più grande.

I contributi di Berkeley Lab a CUPID-Mo

Nessun esperimento ha ancora confermato l'esistenza del processo senza neutrini. L'esistenza di questo processo confermerebbe che i neutrini fungono da antiparticelle proprie, e tale prova aiuterebbe anche a spiegare perché la materia ha vinto sull'antimateria nel nostro universo.

Tutti i dati dell'esperimento CUPID-Mo:l'acronimo CUPID sta per CUORE Upgrade with Particle IDentification, e "Mo" sta per il molibdeno contenuto nel cristallo rivelatore:viene trasmesso dal Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) in Francia al supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center del Berkeley Lab.

Benjamin Schmidt, un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze nucleari del Berkeley Lab, ha guidato lo sforzo complessivo di analisi dei dati per il risultato CUPID-Mo, ed è stato supportato da un team di ricercatori affiliati al Berkeley Lab e da altri membri della collaborazione internazionale.

Berkeley Lab ha anche contribuito con 40 sensori che hanno consentito la lettura dei segnali raccolti dalla matrice di rivelatori a 20 cristalli di CUPID-Mo. L'array è stato superraffreddato a circa 0,02 kelvin, o meno 460 gradi Fahrenheit, per mantenere la sua sensibilità. I suoi cristalli cilindrici contengono litio, ossigeno, e l'isotopo Mo-100, e producono minuscoli lampi di luce nelle interazioni delle particelle.

Lo sforzo internazionale per produrre il risultato CUPID-Mo è notevole, Schmidt ha detto, dato il contesto della pandemia globale che aveva gettato incertezza sul proseguimento del funzionamento dell'esperimento.

"Per un po' sembrava che avremmo dovuto chiudere prematuramente l'esperimento CUPID-Mo a causa dello scoppio di COVID-19 in Europa all'inizio di marzo e delle difficoltà associate nel fornire all'esperimento i liquidi criogenici richiesti, " Egli ha detto.

Ha aggiunto, "Nonostante questa incertezza e i cambiamenti legati alla chiusura di uffici e scuole, così come l'accesso limitato al laboratorio sotterraneo, i nostri collaboratori hanno fatto ogni sforzo per mantenere l'esperimento in corso durante la pandemia".

Schmidt ha accreditato gli sforzi del gruppo di analisi dei dati che ha guidato per trovare un modo per lavorare da casa e produrre i risultati dell'esperimento in tempo per presentarli a Neutrino 2020, una conferenza internazionale virtuale sulla fisica e l'astrofisica dei neutrini ospitata dal Fermi National Accelerator Laboratory. I membri della collaborazione CUPID-Mo stanno pianificando di inviare i risultati per la pubblicazione in una rivista scientifica sottoposta a revisione paritaria.

Messa a punto dei rilevatori ultrasensibili

Una sfida particolare nell'analisi dei dati, Schmidt ha detto, era nell'assicurare che i rivelatori fossero adeguatamente calibrati per registrare la "serie di eventi estremamente elusiva" che si prevede essere associata a un segnale di decadimento doppio beta senza neutrini.

Il processo di decadimento senza neutrini dovrebbe generare un segnale ad altissima energia nel rivelatore CUPID-Mo e un lampo di luce. Il segnale, perché è ad un'energia così alta, dovrebbe essere esente da interferenze da fonti naturali di radioattività.

Per testare la risposta di CUPID-Mo ai segnali ad alta energia, i ricercatori avevano posizionato altre fonti di segnali ad alta energia, compreso Tl-208, un isotopo radioattivo del tallio, vicino alla schiera di rivelatori. I segnali generati dal decadimento di questo isotopo sono ad alta energia, ma non così alta come l'energia prevista per essere associata al processo di decadimento senza neutrini in Mo-100, se esiste.

"Quindi, una grande sfida è stata convincerci che possiamo calibrare i nostri rilevatori con sorgenti comuni, in particolare Tl-208, "Schmidt ha detto, "e quindi estrapolare la risposta del rivelatore alla nostra regione del segnale e tenere conto adeguatamente delle incertezze in questa estrapolazione".

Per migliorare ulteriormente la calibrazione con segnali ad alta energia, i fisici nucleari hanno usato il ciclotrone da 88 pollici del Berkeley Lab per produrre un filo contenente Co-56, un isotopo del cobalto che ha un basso livello di radioattività, non appena il ciclotrone ha riaperto il mese scorso a seguito di un arresto temporaneo in risposta alla pandemia di COVID-19. Il cavo è stato spedito in Francia per essere testato con l'array di rivelatori CUPID-Mo.

Prepararsi per l'esperimento di nuova generazione in Italia

Mentre CUPID-Mo potrebbe ora restare indietro rispetto alla sensibilità nelle misurazioni ottenute da alcuni altri esperimenti, che utilizzano tecniche e materiali di rilevamento diversi, perché è più piccolo e non ha ancora raccolto così tanti dati, "Con l'esperimento CUPID completo, che utilizzerà circa 100 volte più Mo-100, e con 10 anni di attività, abbiamo ottime prospettive per la ricerca e la potenziale scoperta del decadimento doppio beta senza neutrini, " ha detto Schmidt.

CUPID-Mo è stato installato nel sito dell'esperimento di ricerca della materia oscura Edelweiss III in un tunnel profondo più di un miglio in Francia, vicino al confine italiano, e utilizza alcuni componenti Edelweiss III. CUPIDO, nel frattempo, si propone di sostituire l'esperimento di ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini CUORE presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in Italia. Mentre CUPID-Mo contiene solo 20 cristalli rivelatori, CUPIDO conterrebbe più di 1, 500.

"Dopo che CUORE avrà terminato la raccolta dati in due o tre anni, il rivelatore CUPID potrebbe richiedere quattro o cinque anni per essere costruito, " ha detto Yury Kolomensky, Portavoce degli Stati Uniti per la collaborazione CUORE e scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab, che sta guidando la collaborazione statunitense di CUORE. "CUPID sarebbe un aggiornamento relativamente modesto in termini di costi e sfide tecniche, ma sarà un miglioramento significativo in termini di sensibilità".

L'acquisizione dei dati di fisica per CUPID-Mo si è conclusa il 22 giugno e i nuovi dati che non sono stati considerati nell'ultimo risultato rappresentano una crescita di circa il 20%-30% nei dati complessivi. CUPID-Mo è supportato da un gruppo di laboratori francesi, e da laboratori negli Stati Uniti, Ucraina, Russia, Italia, Cina, e Germania.

NERSC è una struttura utente DOE Office of Science.

La collaborazione CUPID-Mo riunisce ricercatori di 27 istituzioni, compresi i laboratori francesi Irfu/CEA e IJCLab a Orsay; IP2I a Lione; e Institut Néel e SIMaP di Grenoble, così come le istituzioni negli Stati Uniti, Ucraina, Russia, Italia, Cina, e Germania.

L'esperimento è supportato dall'Ufficio di Fisica Nucleare del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Berkeley Research Computing Program, Agence Nationale de la Recherche, Laboratorio Associato Internazionale IDATE (LIA), Fondazione scientifica russa, Accademia Nazionale delle Scienze dell'Ucraina, Fondazione Nazionale della Scienza, il Fondo Francia-Berkeley, il fondo MISTI-Francia, e l'Ufficio per la scienza e la tecnologia dell'Ambasciata di Francia negli Stati Uniti.