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Articulo de referencia

CUERO

Experimento CUORE inaugurado el 23 de octubre de 2017 42°27′N 13°34′E / 42.450, -13.567 El criostato CUORE en construcción en octubre de 2014. El Observatorio Criogénico Subterr...

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Experimento CUORE inaugurado el 23 de octubre de 2017

42°27′N 13°34′E / 42.450, -13.567

El criostato CUORE en construcción en octubre de 2014.

El Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros ( CUORE ) – también cuore ( en italiano, 'corazón'; [ˈkwɔːre] ) – es una instalación de física de partículas ubicada bajo tierra en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Assergi, Italia . [1] [2] CUORE fue diseñado principalmente como una búsqueda de desintegración beta doble sin neutrinos en 130 Te, un proceso que nunca se ha observado. [3] Utiliza cristales de dióxido de telurio (TeO 2 ) como fuente de desintegración y como bolómetros para detectar los electrones resultantes. CUORE busca la señal característica de la desintegración beta doble sin neutrinos, un pequeño pico en el espectro de energía observado alrededor de la energía de desintegración conocida; para 130 Te, esto es Q  = 2527,518 ± 0,013 keV. [4] CUORE también puede buscar señales de candidatos a materia oscura , como axiones y WIMP . [1]

Una observación de la desintegración beta doble sin neutrinos mostraría de manera concluyente que los neutrinos son fermiones de Majorana ; es decir, son sus propias antipartículas. [5] Esto es relevante para muchos temas en física de partículas, incluida la conservación del número leptónico , la estructura nuclear y las masas y propiedades de los neutrinos .

La colaboración CUORE involucra a físicos de varios países, principalmente de Estados Unidos e Italia . [6] CUORE está financiado por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare de Italia, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.

En septiembre de 2014, como parte de las pruebas del refrigerador de dilución CUORE , los científicos de la colaboración CUORE enfriaron un recipiente de cobre con un volumen de un metro cúbico a 6 mK (0,006 K, −273,144 °C) durante 15 días, estableciendo un récord para la temperatura más baja en el universo natural conocido en un volumen contiguo tan grande. [5] [7] [8] [9]

Detectores

Los detectores CUORE son cristales de TeO2 utilizados como bolómetros de baja capacidad térmica , dispuestos en torres y enfriados en un gran criostato a aproximadamente 10 mK con un refrigerador de dilución . Los detectores están aislados de los fondos térmicos, electromagnéticos y de otras partículas ambientales mediante un blindaje ultrapuro de baja radiactividad. Los picos de temperatura de los electrones emitidos en las desintegraciones beta dobles de Te se recogen para el análisis del espectro. Los detectores están calibrados utilizando 232 Th , el primer elemento de una larga cadena de desintegración que incluye varios rayos gamma destacados de hasta 2615 keV.

Para la construcción de CUORE, la colaboración siguió varios procedimientos para minimizar la contaminación radiactiva que puede hacer que los detectores registren eventos de fondo a energías cercanas a la energía liberada en la desintegración beta doble sin neutrinos. Los cristales fueron cultivados por el Instituto de Cerámica de Shanghái en la Academia China de Ciencias con estrictos requisitos de radiopureza. [10] Los cristales se mantienen en su lugar mediante un soporte de PTFE en torres construidas a partir de cobre de alta conductividad térmica libre de oxígeno y se ensamblaron bajo nitrógeno dentro de cajas de guantes en salas blancas . Se utilizan cobre, plomo, plomo romano antiguo de baja radiactividad y polietileno borado para proteger los detectores. También se utilizan algoritmos de coincidencia para rechazar eventos que causaron que se activaran múltiples canales, como los causados ​​por un muón de rayos cósmicos entrante o un rayo gamma que Compton dispersa en múltiples cristales. [11]

Historia

Cuoricino fue la primera torre de bolómetro a gran escala utilizada para la búsqueda de eventos raros y estuvo en funcionamiento desde 2003 hasta 2008. Tenía 62 cristales de TeO 2 (11 kg de 130 Te), con algunos cristales enriquecidos en 130 Te y otros con abundancia isotópica natural, y algunos cristales ligeramente más grandes y otros más pequeños. [12] La torre era similar en construcción a la torre CUORE, y estaba protegida con cobre, plomo y plomo romano. Cuoricino se operó cerca de 8 mK en un refrigerador de dilución relativamente pequeño. [13]

Utilizando los resultados de Cuoricino, se finalizaron los detalles finales de las torres de detección CUORE y se estableció una secuencia de ensamblaje para la construcción de estas 19 torres. [13] CUORE-0 fue la primera torre de detección producida en esta línea de ensamblaje. Tenía 52 cristales de TeO2 mejorados en una torre de cobre con mejor pureza de superficie y una reducción significativa del radón y otros contaminantes. [14] Se operó en el criostato de Cuoricino de 2013 a 2015 como una primera prueba de los nuevos procedimientos de ensamblaje de CUORE a medida que se completaba el ensamblaje de las torres CUORE. [15]

CUORE es una versión ampliada de CUORE-0, alojada en un nuevo criostato construido a medida capaz de soportar un detector con una masa de aproximadamente una tonelada. Contiene 988 cristales de 5×5×5 cm3 , con 741 kg de TeO2 ( 206 kg de 130 Te). El nuevo criostato se construyó a partir de materiales extremadamente radiopuros, [16] y se utiliza un gran escudo de plomo de la Antigua Roma para proteger los detectores. [17] Hay un escudo octagonal de 73 toneladas fuera del criostato, construido de plomo y polietileno borado, para reducir la cantidad de rayos gamma ambientales y neutrones que llegan al detector. [16] Debido a la gran cantidad de detectores discretos, los muones de rayos cósmicos se pueden excluir fácilmente al rechazar eventos que ocurren simultáneamente en múltiples detectores. [11]

Las torres CUORE se instalaron en el criostato en agosto de 2016, [18] y la toma de datos con CUORE comenzó en mayo de 2017.

Resultados

Cuoricino tomó datos desde abril de 2003 hasta junio de 2008. Los resultados finales utilizando 19,75 kg·y de exposición a 130 Te establecieron límites del 90% líderes a nivel mundial en la vida media 0νββ de 130 Te de T 0ν
½  > 2,8 × 10 24  años, con un fondo de 0,18 ± 0,01/(keV·kg·año) cerca de la energía de desintegración 0νββ. [19] También se establecieron límites de masa de axión, en consonancia con otros experimentos. [20]

El primer artículo que detalla el rendimiento inicial de CUORE-0 se publicó en agosto de 2014 utilizando datos tomados de marzo a septiembre de 2013, con una exposición de 7,1 kg·año, mostrando fondos reducidos por un factor de 6 en comparación con CUORICINO y una resolución energética de 5,7 keV. [14] En abril de 2015 se presentó un límite en 0νββ, combinando 9,8 kg·año de exposición a CUORE-0 con la exposición a Cuoricino para establecer un nuevo límite de T 0ν
½ > 4,0×10 24 años. [21]

CUORE tiene un objetivo de fondo de 0,01 cuentas/(keV·kg·y) en la región de interés 0νββ con un objetivo de resolución energética de 5,0 keV. Después de cinco años, se estima que CUORE tiene una sensibilidad de vida media CL del 90 % a 0νββ de 9,5 × 10 25  años, y una sensibilidad de masa de neutrino Majorana efectiva de 0,05–0,13 eV (dependiendo de los elementos de la matriz nuclear utilizados). [16]

Los primeros resultados del experimento CUORE completo se publicaron en 2018 y no se encontró evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos, lo que estableció un límite inferior bayesiano con un IC del 90 % para la vida útil de años. [22] En 2020 y 2022 se dieron nuevos límites en [23] y [24] [25] años con el mismo nivel de confianza. yo β β 0 no > 1.5 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.5\cdot 10^{25}} yo β β 0 no > 3.2 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}} yo β β 0 no > 2.2 ⋅ 10 25 {\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}}

Investigación y desarrollo

CUPID es la " Actualización de CUORE con identificación de artículo" , un proyecto de investigación y desarrollo para el detector CUORE. [26] Varios grupos de investigación en todo el mundo están trabajando para desarrollar materiales para esta actualización. [27] CUPID tiene como objetivo utilizar nuevos materiales de detector en el mismo criostato que CUORE.

ABSuRD es un proyecto de investigación y desarrollo para el detector CUORE, denominado " Detector de rechazo de superficie de fondo " . El objetivo del proyecto es desarrollar un bolómetro centelleador con la capacidad de vetar la radiación de fondo ionizante. [28]

Referencias

  1. ^ ab Arnaboldi, C.; et al. (CUORE Collaboration) (2004). "CUORE: un observatorio criogénico subterráneo para eventos raros". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A . 518 (3): 775–798. arXiv : hep-ex/0212053 . Código Bibliográfico :2004NIMPA.518..775A. doi :10.1016/j.nima.2003.07.067. S2CID  15312986.
  2. ^ Borghino, Dario (31 de marzo de 2018). «El experimento «CUORE» busca llegar al corazón de la materia y la antimateria». NewAtlas.com . Consultado el 1 de abril de 2018 .
  3. ^ Biron, Lauren (23 de abril de 2015). «El frío extremo y el naufragio». Revista Symmetry . Fermilab/SLAC . Consultado el 19 de febrero de 2016 .
  4. ^ Redshaw, Matthew; Mount, Brianna J.; Myers, Edmund G.; Avignone, Frank T. (2009). "Masas de 130 Te y 130 Xe y valor Q de desintegración doble β de 130 Te". Physical Review Letters . 102 (21): 212502. arXiv : 0902.2139 . Código Bibliográfico :2009PhRvL.102u2502R. doi :10.1103/PhysRevLett.102.212502. PMID  19519099. S2CID  22254396.
  5. ^ ab Shelton, Jim (20 de octubre de 2014). "Los sistemas de Yale son clave para el experimento del metro cúbico más frío". Noticias de Yale . Consultado el 10 de febrero de 2015 .
  6. ^ Colaboración CUORE. «Cuore - Instituciones» . Consultado el 8 de noviembre de 2013 .
  7. ^ Greene, Kate (28 de octubre de 2014). "Creación del metro cúbico más frío del universo". Berkeley Lab News Center . Consultado el 11 de marzo de 2015 .
  8. ^ "CUORE: El corazón más frío del universo conocido". Nota de prensa de INFN . Consultado el 21 de octubre de 2014 .
  9. ^ Ouellet, Jonathan (15 de octubre de 2014). "El metro cúbico más frío del universo conocido". arXiv : 1410.1560 [physics.ins-det].
  10. ^ Arnaboldi, C.; et al. (CUORE Collaboration) (2010). "Producción de monocristales de TeO2 de alta pureza para el estudio de la desintegración beta doble sin neutrinos". Journal of Crystal Growth . 312 (20): 2999–3008. arXiv : 1005.3686 . Bibcode :2010JCrGr.312.2999A. doi :10.1016/j.jcrysgro.2010.06.034. S2CID  98051487.
  11. ^ ab Bellini, F.; Bucci, C.; Capelli, S.; Cremonesi, O.; Gironí, L.; Martínez, M.; Pavan, M.; Tomei, C.; Vignati, M. (2010). "Evaluación de Monte Carlo de las fuentes de fondo externas inducidas por gamma, neutrones y muones en el experimento CUORE". Física de Astropartículas . 33 (3): 169-174. arXiv : 0912.0452 . Código Bib : 2010APh....33..169B. doi :10.1016/j.astropartphys.2010.01.004.
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  15. ^ Greene, Kate (9 de abril de 2015). "Experimento sobre neutrinos ultrafríos, una demostración exitosa" . Consultado el 10 de abril de 2015 .
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  • Registro del experimento CUORE en INSPIRE-HEP
  • Página oficial del experimento CUORE
  • CUORE en LNGS
  • Página de CUORE de Milán Archivado el 8 de diciembre de 2013 en Wayback Machine.
  • Página CUORE del grupo Berkeley
  • Página principal de CUORICINO Archivado el 6 de febrero de 2009 en Wayback Machine.
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