Den första glimten av data från hela utbudet av en djupt kyld partikeldetektor som fungerar under ett berg i Italien sätter de mest exakta gränserna än för var forskare kan hitta en teoretiserad process för att förklara varför det finns mer materia än antimateria i universum.

Detta nya resultat, publicerad online på arXiv.org och skickad idag till tidningen Fysiska granskningsbrev , är baserat på två månaders data som samlats in från hela detektorn från CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) -experimentet vid Italian Italian Institute for Nuclear Physics (INFN) Gran Sasso National Laboratories (LNGS) i Italien. CUORE betyder "hjärta" på italienska.

Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) leder USA:s kärnfysikinsats för det internationella CUORE -samarbetet, som har cirka 150 medlemmar från 25 institutioner. Det amerikanska kärnfysikprogrammet har gjort betydande bidrag till tillverkningen och det vetenskapliga ledarskapet för CUORE -detektorn.

CUORE anses vara en av de mest lovande insatserna för att avgöra om små elementära partiklar som kallas neutrinoer, som endast interagerar sällan med materia, är "Majorana -partiklar" - identiska med sina egna antipartiklar. De flesta andra partiklar är kända för att ha antipartiklar som har samma massa men en annan laddning, till exempel. CUORE kan också hjälpa oss att komma in på de exakta massorna av de tre typerna, eller "smaker, "av neutriner - neutriner har den ovanliga förmågan att förvandlas till olika former.

"Detta är den första förhandsvisningen av vad ett instrument i den här storleken kan göra, "sa Oliviero Cremonesi, en senior fakultetsvetare vid INFN och talesman för CUORE -samarbetet. Redan, hela detektormatrisens känslighet har överskridit precisionen i de mätningar som rapporterades i april 2015 efter en framgångsrik tvåårig testkörning som fick ett detektortorn. Under de kommande fem åren kommer CUORE att samla in cirka 100 gånger mer data.

Yury Kolomensky, en senior fakultetsvetare vid Nuclear Science Division vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och amerikansk talesperson för CUORE -samarbetet, sa, "Detektorn fungerar exceptionellt bra och dessa två månaders data räcker för att överskrida de tidigare gränserna." Kolomensky är också professor vid UC Berkeley Physics Department.

De nya uppgifterna ger ett snävt intervall inom vilket forskare kan förvänta sig att se någon indikation på partikelprocessen den är avsedd att hitta, kallas neutrinolöst dubbel beta -sönderfall.

"CUORE är, i huvudsak, en av världens känsligaste termometrar, sa Carlo Bucci, teknisk koordinator för experimentet och italiensk talesperson för CUORE -samarbetet. Dess detektorer, bildad av 19 kopparramade "torn" som var och en rymmer en matris med 52 kubformade, högrenade telluriumdioxidkristaller, är upphängda i den innersta kammaren i sex kapslade tankar.

Kyld av det mest kraftfulla kylskåpet i sitt slag, tankarna utsätter detektorn för den kallaste kända temperaturen som registrerats i en kubikmeter volym i hela universum:minus 459 grader Fahrenheit (10 milliKelvin).

Detektoruppsättningen designades och monterades under en tioårsperiod. Den är skyddad från många yttre partiklar, kosmiska strålar som ständigt bombarderar jorden, vid 1, 400 meter sten ovanför den, och genom tjock blyskärmning som inkluderar en strålningsutarmad form av bly som räddats från ett gammalt romerskt skeppsbrott. Andra detektormaterial framställdes också under ultrarena förhållanden, och detektorerna monterades i kvävefyllda, förseglade handskfack för att förhindra kontaminering från vanlig luft.

"Design, byggnad, och att driva CUORE har varit en lång resa och en fantastisk prestation, "sade Ettore Fiorini, en italiensk fysiker som utvecklade konceptet med CUORE:s värmekänsliga detektorer (telluriumdioxidbolometrar), och talesman-emeritus för CUORE-samarbetet. "Att använda termiska detektorer för att studera neutrinoer tog flera decennier och ledde till utvecklingen av teknik som nu kan tillämpas inom många forskningsområden."

Tillsammans väger mer än 1, 600 pund, CUOREs matris av grovt stora kristaller är extremt känslig för partikelprocesser, särskilt vid denna extrema temperatur. Tillhörande instrument kan exakt mäta ständigt små temperaturförändringar i kristallerna som härrör från dessa processer.

Berkeley Lab och Lawrence Livermore National Laboratory forskare levererade ungefär hälften av kristallerna för CUORE -projektet. Dessutom, Berkeley Lab -teamet designade och tillverkade de mycket känsliga temperatursensorerna - kallade neutrontransmutationsdopade termistorer - uppfunnna av Eugene Haller, en senior fakultetsvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en UC Berkeley fakultetsmedlem.

Berkeley Lab -forskare designade och byggde också ett specialiserat renrum försett med luft utarmad av naturlig radioaktivitet, så att CUORE -detektorerna kan installeras i kryostaten under ultraklana förhållanden. Och forskare och ingenjörer från Berkeley Lab, under ledning av UC Berkeley postdoc Vivek Singh, arbetade med italienska kollegor för att ta i bruk CUORE kryogena system, inklusive ett unikt kraftfullt kylsystem som kallas ett utspädningskylskåp.

Tidigare postdoktorer vid UC Berkeley, Tom Banks och Tommy O'Donnell, som också hade gemensamma möten i Nuclear Science Division på Berkeley Lab, ledde det internationella fysikerteamet, ingenjörer, och tekniker för att montera över 10, 000 delar i torn i kvävefyllda handskfack. De band nästan 8, 000 guldtrådar, mäter bara 25 mikron i diameter, till 100-mikronstorlekar på temperaturgivarna, och på kopparkuddar anslutna till detektorledningar.

CUORE -mätningar har den signalerande signalen för specifika typer av partikelinteraktioner eller partikelförfall - en spontan process genom vilken en partikel eller partiklar omvandlas till andra partiklar.

Vid dubbel beta -förfall, som har observerats i tidigare experiment, två neutroner i atomkärnan i ett radioaktivt element blir två protoner. Också, två elektroner avges, tillsammans med två andra partiklar som kallas antineutrinos.

Neutrinolöst dubbel beta -sönderfall, under tiden - den specifika processen som CUORE är utformad för att hitta eller utesluta - skulle inte producera några antineutrinos. Detta skulle innebära att neutrinoer är deras egna antipartiklar. Under denna sönderfallsprocess skulle de två antineutrino -partiklarna effektivt utplåna varandra, lämnar inga spår i CUORE -detektorn. Bevis för denna typ av förfallsprocess skulle också hjälpa forskare att förklara neutrinos roll i obalansen mellan materia och antimateria i vårt universum.

Neutrinolöst dubbelbetaförfall förväntas vara ytterst sällsynt, förekommer högst (om alls) en gång var 100 septillion (1 följt av 26 nollor) år i en given atomkärna. Den stora volymen av detektorkristaller är avsedd att kraftigt öka sannolikheten för att spela in en sådan händelse under experimentets livstid.

Det finns en växande konkurrens från nya och planerade experiment för att lösa om denna process existerar med hjälp av olika söktekniker, och Kolomenskij noterade, "Tävlingen hjälper alltid. Det driver framsteg, och vi kan också verifiera varandras resultat, och hjälpa varandra med material screening och data analys tekniker. "

Lindley Winslow från Massachusetts Institute of Technology, som samordnade analysen av CUORE -data, sa, "Vi är tantalizingly nära helt outforskat territorium och det finns stora möjligheter för upptäckt. Det är en spännande tid att vara på experimentet."