Kärnfysiker knutna till det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) spelade en ledande roll i att analysera data för ett demonstrationsexperiment som har uppnått rekordprecision för ett specialiserat detektormaterial.

CUPID-Mo-experimentet är ett av ett experimentfält som använder en mängd olika metoder för att upptäcka en teoretiserad partikelprocess, kallas neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall, som skulle kunna revidera vår förståelse av spöklika partiklar som kallas neutriner, och deras roll i bildandet av universum.

De preliminära resultaten från CUPID-Mo-experimentet, baserat på Berkeley Lab-ledda analys av data som samlats in från mars 2019 till april 2020, sätta en ny världsledande gräns för den neutrinofria dubbelbeta-sönderfallsprocessen i en isotop av molybden känd som Mo-100. Isotoper är former av ett grundämne som bär ett annat antal oladdade partiklar som kallas neutroner i sina atomkärnor.

Det nya resultatet sätter gränsen för den neutrinofria dubbelbeta-halveringstiden i Mo-100 vid 1,4 gånger per biljon biljoner år (det är 14 följt av 23 nollor), vilket är en 30 % förbättring av känsligheten jämfört med Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), ett tidigare experiment som fungerade på samma plats från 2003-2011 och som även använde Mo-100. En halveringstid är den tid det tar för en radioaktiv isotop att ta bort hälften av sin radioaktivitet.

Den neutrinolösa dubbel-beta-sönderfallsprocessen är teoretiserad att vara mycket långsam och sällsynt, och inte en enda händelse upptäcktes i CUPID-Mo efter ett års datainsamling.

Medan båda experimenten använde Mo-100 i sina detektormatriser, NEMO 3 använde en folieform av isotopen medan CUPID-Mo använde en kristallform som producerar ljusblixtar i vissa partikelinteraktioner.

Större experiment som använder olika detektormaterial och som fungerar under längre tidsperioder har uppnått större känslighet, även om den rapporterade tidiga framgången för CUPID-Mo sätter scenen för ett planerat efterföljande experiment som kallas CUPID med en detektoruppsättning som kommer att vara 100 gånger större.

Berkeley Labs bidrag till CUPID-Mo

Inget experiment har ännu bekräftat om den neutrinolösa processen existerar. Existensen av denna process skulle bekräfta att neutriner fungerar som sina egna antipartiklar, och sådana bevis skulle också hjälpa till att förklara varför materia vann över antimateria i vårt universum.

Alla data från CUPID-Mo-experimentet – CUPID-akronymen står för CUORE Upgrade with Particle IDentification, och "Mo" är för molybdenet som finns i detektorkristallen – överförs från Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) i Frankrike till Cori-superdatorn vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center.

Benjamin Schmidt, en postdoktor vid Berkeley Labs kärnvetenskapsavdelning, ledde den övergripande dataanalysinsatsen för CUPID-Mo-resultatet, och fick stöd av ett team av Berkeley Lab-anslutna forskare och andra medlemmar av det internationella samarbetet.

Berkeley Lab bidrog också med 40 sensorer som möjliggjorde utläsning av signaler som fångats upp av CUPID-Mos 20-kristalldetektorarray. Arrayen underkylds till cirka 0,02 kelvin, eller minus 460 grader Fahrenheit, för att behålla sin känslighet. Dess cylindriska kristaller innehåller litium, syre, och isotopen Mo-100, och producera små ljusblixtar i partikelinteraktioner.

Den internationella ansträngningen att producera CUPID-Mo-resultatet är anmärkningsvärt, Schmidt sa, med tanke på sammanhanget av den globala pandemin som hade skapat osäkerhet om experimentets fortsatta drift.

"Ett tag såg det ut som att vi skulle behöva stänga av CUPID-Mo-experimentet i förtid på grund av utbrottet av covid-19 i Europa i början av mars och de tillhörande svårigheterna att förse experimentet med erforderliga kryogena vätskor, " han sa.

Han lade till, "Trots denna osäkerhet och förändringarna i samband med stängningen av kontorslokaler och skolor, samt begränsad tillgång till det underjordiska laboratoriet, våra samarbetspartners gjorde allt för att hålla experimentet igång genom pandemin."

Schmidt krediterade insatserna från dataanalysgruppen som han ledde för att hitta ett sätt att arbeta hemifrån och producera resultaten från experimentet i tid för att presentera dem på Neutrino 2020, en virtuell internationell konferens om neutrinofysik och astrofysik som arrangeras av Fermi National Accelerator Laboratory. Medlemmar av CUPID-Mo-samarbetet planerar att skicka in resultaten för publicering i en peer-reviewed vetenskapstidskrift.

Justera ultrakänsliga detektorer

En särskild utmaning i dataanalysen, Schmidt sa, var att säkerställa att detektorerna var korrekt kalibrerade för att registrera den "extremt svårfångade uppsättningen av händelser" som förutspås vara associerade med en signal om neutrinolös dubbelbeta-sönderfall.

Den neutrinofria sönderfallsprocessen förväntas generera en mycket högenergisignal i CUPID-Mo-detektorn och en ljusblixt. Signalen, eftersom det är på så hög energi, förväntas vara fri från störningar från naturliga radioaktivitetskällor.

För att testa CUPID-Mos svar på högenergisignaler, forskare hade placerat andra källor för högenergisignaler, inklusive Tl-208, en radioaktiv isotop av tallium, nära detektorgruppen. Signalerna som genereras av sönderfallet av denna isotop har en hög energi, men inte lika hög som energin som förutspåtts vara associerad med den neutrinofria sönderfallsprocessen i Mo-100, om det finns.

"Därav, en stor utmaning var att övertyga oss själva om att vi kan kalibrera våra detektorer med vanliga källor, särskilt Tl-208, Schmidt sa, "och sedan extrapolera detektorns svar till vår signalregion och ta korrekt hänsyn till osäkerheterna i denna extrapolering."

För att ytterligare förbättra kalibreringen med högenergisignaler, kärnfysiker använde Berkeley Labs 88-tums cyklotron för att producera en tråd innehållande Co-56, en isotop av kobolt som har en låg nivå av radioaktivitet, så snart cyklotronen öppnade igen förra månaden efter en tillfällig avstängning som svar på COVID-19-pandemin. Kabeln har skickats till Frankrike för testning med CUPID-Mo-detektormatrisen.

Förbereder för nästa generations experiment i Italien

Medan CUPID-Mo nu kan släpa efter känsligheten i mätningar som uppnåtts av vissa andra experiment – ​​som använder olika detektortekniker och material – eftersom den är mindre och ännu inte har samlat in så mycket data, "Med hela CUPID-experimentet, som kommer att använda ungefär 100 gånger mer Mo-100, och med 10 års verksamhet, vi har utmärkta utsikter för sökandet och potentiell upptäckt av neutrinolöst dubbelbeta-sönderfall, " sa Schmidt.

CUPID-Mo installerades på platsen för Edelweiss III-sökexperimentet för mörk materia i en tunnel mer än en mil djup i Frankrike, nära den italienska gränsen, och använder vissa Edelweiss III-komponenter. CUPID, under tiden, föreslås ersätta det neutrinolösa CUORE-sökexperimentet med dubbelbeta-sönderfall vid Gran Sasso National Laboratory (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) i Italien. Medan CUPID-Mo bara innehåller 20 detektorkristaller, CUPID skulle innehålla mer än 1, 500.

"Efter att CUORE avslutat datatagningen om två eller tre år, CUPID-detektorn kan ta fyra eller fem år att bygga, sade Yury Kolomensky, USA:s talesman för CUORE-samarbetet och senior fakultetsforskare vid Berkeley Lab, som leder CUOREs amerikanska samarbete. "CUPID skulle vara en relativt blygsam uppgradering när det gäller kostnader och tekniska utmaningar, men det kommer att vara en betydande förbättring när det gäller känslighet."

Fysikdatatagning för CUPID-Mo avslutades 22 juni, och nya data som inte beaktades i det senaste resultatet representerar en tillväxt på cirka 20 % till 30 % i övergripande data. CUPID-Mo stöds av en grupp franska laboratorier, och av laboratorier i USA, Ukraina, Ryssland, Italien, Kina, och Tyskland.

NERSC är en DOE Office of Science-användaranläggning.

CUPID-Mo-samarbetet samlar forskare från 27 institutioner, inklusive de franska laboratorierna Irfu/CEA och IJCLab i Orsay; IP2I i Lyon; och Institut Néel och SIMaP i Grenoble, såväl som institutioner i USA, Ukraina, Ryssland, Italien, Kina, och Tyskland.

Experimentet stöds av U.S. Department of Energy Office of Science Office of Nuclear Physics, Berkeley Research Computing-program, Agence Nationale de la Recherche, IDEATE International Associated Laboratory (LIA), Russian Science Foundation, National Academy of Sciences of Ukraine, Nationella vetenskapsfonden, France-Berkeley Fund, MITI-France-fonden, och Office for Science &Technology vid Frankrikes ambassad i USA.