СЕРДЦЕ

42 ° 27' с.ш., 13 ° 34' в.д. / 42,450 ° с.ш., 13,567 ° в.д.

Криогенная подземная обсерватория редких событий ( CUORE ) — также cuore ( по-итальянски «сердце»; [ˈkwɔːre] ) — это центр физики элементарных частиц , расположенный под землей в Лаборатории Национали дель Гран Сассо в Ассерджи, Италия . [1] [2] CUORE был разработан в первую очередь для поиска безнейтринного двойного бета-распада в 130 Те, процесс, который никогда не наблюдался. [3] Он использует кристаллы диоксида теллура (TeO 2 ) как источник распада и как болометры для обнаружения образующихся электронов. CUORE ищет характерный сигнал безнейтринного двойного бета-распада, небольшой пик в наблюдаемом энергетическом спектре вблизи известной энергии распада; для 130 Те, это Q = 2527,518 ± 0,013 кэВ. [4] CUORE также может искать сигналы от кандидатов в темную материю , таких как аксионы и вимпы . [1]
Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада убедительно показало бы, что нейтрино являются майорановскими фермионами ; то есть они являются своими собственными античастицами. [5] Это актуально для многих тем физики элементарных частиц, включая сохранение лептонного числа , структуру ядра , а также нейтрино массы и свойства .
В коллаборации CUORE участвуют физики из нескольких стран, в первую очередь из США и Италии . [6] CUORE финансируется Национальным институтом ядерной физики Италии, Министерством энергетики США и Национальным научным фондом США.
В сентябре 2014 года в рамках испытаний холодильника разбавления CUORE ученые коллаборации CUORE охладили медный сосуд объемом один кубический метр до 6 мК (0,006 К, −273,144 °С) за 15 дней, установив рекорд для самой низкой температуры во Вселенной в таком большом непрерывном объеме. [5] [7] [8] [9]
Детекторы
[ редактировать ]Детекторы CUORE представляют собой TeO 2 , кристаллы используемые в качестве болометров с низкой теплоемкостью , расположенные в башнях и охлажденные в большом криостате примерно до 10 мК с помощью холодильника разбавления . Детекторы изолированы от фоновых тепловых, электромагнитных и других частиц окружающей среды с помощью сверхчистой защиты с низкой радиоактивностью. Температурные скачки электронов, испускаемых при двойном бета-распаде Те, собираются для спектрального анализа. Детекторы калибруются с использованием 232 Th , первый элемент в длинной цепочке распада , включающей несколько заметных гамма-лучей с энергией до 2615 кэВ.
При строительстве CUORE коллаборация следовала нескольким процедурам, чтобы минимизировать радиоактивное загрязнение , которое может привести к тому, что детекторы будут регистрировать фоновые события при энергиях, близких к энергии, выделяющейся при безнейтринном двойном бета-распаде. Кристаллы были выращены Шанхайским институтом керамики Китайской академии наук с соблюдением строгих требований к радиочистоте. [10] Кристаллы удерживаются на месте с помощью из ПТФЭ опоры в башнях, изготовленных из бескислородной меди с высокой теплопроводностью и собранных в атмосфере азота внутри перчаточных боксов в чистых помещениях . медь, свинец, древний низкорадиоактивный римский свинец и борированный полиэтилен Для защиты детекторов используются . Алгоритмы совпадений также используются для отклонения событий, которые вызвали срабатывание нескольких каналов, например, вызванных входящим мюоном космических лучей или гамма-лучами, которые Комптон рассеивает в нескольких кристаллах. [11]
История
[ редактировать ]Куоричино была первой крупномасштабной болометрической башней, использовавшейся для поиска редких событий, и эксплуатировалась с 2003 по 2008 год. В ней было 62 кристалла TeO 2 (11 кг 130 Te), причем некоторые кристаллы обогащены 130 Те и другие с естественным содержанием изотопов, а также кристаллы немного большего и меньшего размера. [12] По конструкции башня была похожа на башню КУОРЕ и была покрыта медью, свинцом и римским свинцом. Куоричино работал при температуре около 8 мК в холодильнике с относительно небольшим разбавлением. [13]
Используя результаты Куоричино, были окончательно определены детали детекторных башен CUORE и установлена последовательность сборки для строительства этих 19 башен. [13] CUORE-0 была первой детекторной башней, произведенной на этой сборочной линии. Он содержал 52 улучшенных кристалла TeO 2 в медной башне с большей чистотой поверхности и значительно меньшим количеством радона и других загрязнений. [14] Он эксплуатировался в криостате Куоричино с 2013 по 2015 год в качестве первого испытания новых процедур сборки CUORE после завершения сборки башен CUORE. [15]
CUORE — это увеличенная версия CUORE-0, размещенная в новом специально изготовленном криостате, способном поддерживать детектор массой около одной тонны. Содержит 988 штук размером 5×5×5 см. 3 кристаллов, с 741 кг TeO 2 (206 кг 130 Те). Новый криостат изготовлен из чрезвычайно радиочистых материалов. [16] а для защиты детекторов используется большой древнеримский свинцовый щит. [17] Снаружи криостата имеется восьмиугольный экран массой 73 тонны, изготовленный из свинца и борированного полиэтилена, для уменьшения количества гамма-лучей и нейтронов из окружающей среды, попадающих в детектор. [16] Благодаря большому количеству дискретных детекторов мюоны космических лучей можно легко исключить, отклонив события, происходящие одновременно в нескольких детекторах. [11]
Башни CUORE были установлены в криостате в августе 2016 года. [18] сбор данных с помощью CUORE начался в мае 2017 года.
Результаты
[ редактировать ]Куоричино взял данные за период с апреля 2003 г. по июнь 2008 г. Окончательные результаты получены при использовании 19,75 кг·год 130 Воздействие устанавливает ведущие в мире 90%-ные ограничения на 130 Te 0νββ период полураспада T 0ν
½ > 2,8 × 10 24 год, с фоном 0,18 ± 0,01/(кэВ·кг·год) вблизи энергии распада 0νββ. [19] Также были установлены пределы массы аксионов, что согласуется с другими экспериментами. [20]
Первая статья с подробным описанием первоначальных характеристик CUORE-0 была опубликована в августе 2014 года с использованием данных, полученных с марта по сентябрь 2013 года, с экспозицией 7,1 кг·год, демонстрирующая фоновое уменьшение в 6 раз по сравнению с CUORICINO и энергетическое разрешение 5,7 кэВ. [14] Ограничение на 0νββ было представлено в апреле 2015 года, объединив 9,8 кг·год воздействия CUORE-0 с воздействием Куоричино, чтобы установить новый предел T 0ν.
½ > 4,0×10 24 . [21]
CUORE имеет целевую фоновую величину 0,01·импульсов/(кэВ·кг·год) в интересующей области 0νββ с целевым энергетическим разрешением 5,0 кэВ. По оценкам, через пять лет CUORE будет иметь 90% чувствительность периода полувыведения CL к 0νββ, равную 9,5 × 10. 25 год, а эффективная майорановская массовая чувствительность нейтрино составляет 0,05–0,13 эВ (в зависимости от используемых элементов ядерной матрицы). [16]
Первые результаты полного эксперимента CUORE были опубликованы в 2018 году, не обнаружив никаких доказательств безнейтринного двойного бета-распада, устанавливающего байесовский нижний предел 90% ДИ для времени жизни годы. [22] В 2020 и 2022 годах были установлены новые лимиты [23] и [24] [25] лет на том же уровне достоверности.
Исследования и разработки
[ редактировать ]CUPID — это « C UORE обновление с P -изделия» идентификацией , проект исследований и разработок детектора CUORE. [26] Несколько исследовательских групп по всему миру работают над разработкой материалов для этой модернизации. [27] Целью CUPID является использование новых материалов детекторов в том же криостате, что и CUORE.
ABSuRD это поверхности детектора CUORE для фоновой — научно-исследовательский проект «Детектор отражения » . Целью проекта является разработка сцинтилляционного болометра, способного блокировать ионизирующее фоновое излучение. [28]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Арнабольди, К.; и др. (Сотрудничество CUORE) (2004). «CUORE: криогенная подземная обсерватория редких событий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 518 (3): 775–798. arXiv : hep-ex/0212053 . Бибкод : 2004NIMPA.518..775A . дои : 10.1016/j.nima.2003.07.067 . S2CID 15312986 .
- ^ Боргино, Дарио (31 марта 2018 г.). « Эксперимент «CUORE» направлен на то, чтобы проникнуть в суть материи – и антиматерии» . NewAtlas.com . Проверено 1 апреля 2018 г.
- ^ Бирон, Лорен (23 апреля 2015 г.). «Сильнейший холод и кораблекрушение ведут» . Журнал «Симметрия» . Фермилаб/SLAC . Проверено 19 февраля 2016 г.
- ^ Редшоу, Мэтью; Маунт, Брианна Дж.; Майерс, Эдмунд Г.; Авиньон, Фрэнк Т. (2009). «Массы 130 Те и 130 Xe и значение Q двойного β-распада 130 Te". Physical Review Letters . 102 (21): 212502. arXiv : 0902.2139 . Бибкод : 2009PhRvL.102u2502R . doi : /PhysRevLett.102.212502 . PMID 19519099. . S2CID 22 254396 10.1103
- ^ Jump up to: а б Шелтон, Джим (20 октября 2014 г.). «Системы Йельского университета являются ключом к эксперименту с самым холодным кубическим метром» . Йельские новости . Проверено 10 февраля 2015 г.
- ^ СЕРДЦЕ Сотрудничество. «Сердце – учреждения» . Проверено 8 ноября 2013 г.
- ^ Грин, Кейт (28 октября 2014 г.). «Создание самого холодного кубического метра во Вселенной» . Информационный центр лаборатории Беркли . Проверено 11 марта 2015 г.
- ^ «КУОРЕ: Самое холодное сердце в известной Вселенной» . Пресс-релиз ИНФН . Проверено 21 октября 2014 г.
- ^ Уэлле, Джонатан (15 октября 2014 г.). «Самый холодный кубический метр в известной Вселенной». arXiv : 1410.1560 [ physical.ins-det ].
- ^ Арнабольди, К.; и др. (Сотрудничество CUORE) (2010). «Получение монокристаллов TeO2 высокой чистоты для исследования безнейтринного двойного бета-распада». Журнал роста кристаллов . 312 (20): 2999–3008. arXiv : 1005.3686 . Бибкод : 2010JCrGr.312.2999A . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2010.06.034 . S2CID 98051487 .
- ^ Jump up to: а б Беллини, Ф.; Буччи, К.; Капелли, С.; Кремонези, О.; Джирони, Л.; Мартинес, М.; Паван, М.; Томей, К.; Виньяти, М. (2010). «Оценка методом Монте-Карло внешних источников фона, индуцированных гамма-, нейтронами и мюонами, в эксперименте CUORE». Астрофизика частиц . 33 (3): 169–174. arXiv : 0912.0452 . Бибкод : 2010APh....33..169B . doi : 10.1016/j.astropartphys.2010.01.004 .
- ^ Андриотти, Э.; и др. (Сотрудничество КУОРИЧИНО) (2011). " 130 Безнейтринный двойной бета-распад с CUORICINO». Astroarticle Physics . 34 (11): 822–831. arXiv : 1012.3266 . Bibcode : 2011APh....34..822A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.02.002 . S2CID 119185418 .
- ^ Jump up to: а б Арнабольди, К.; и др. (Сотрудничество КУОРИЧИНО) (2004). «Первые результаты безнейтринного двойного бета-распада 130 Te с калориметрическим экспериментом CUORICINO» . Physics Letters B. 584 ( 3–4): 260–268. Bibcode : 2004PhLB..584..260A . doi : 10.1016/j.physletb.2004.01.040 .
- ^ Jump up to: а б Артуса, ДР; и др. (Сотрудничество CUORE) (2014). «Первоначальное проведение эксперимента CUORE-0» . Европейский физический журнал C . 74 (8): 2956. arXiv : 1402.0922 . Бибкод : 2014EPJC...74.2956A . дои : 10.1140/epjc/s10052-014-2956-6 .
- ^ Грин, Кейт (9 апреля 2015 г.). «Эксперимент с ультрахолодными нейтрино: успешная демонстрация» . Проверено 10 апреля 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с Артуса, ДР; и др. (Сотрудничество CUORE) (2015). «В поисках безнейтринного двойного бета-распада 130 Te с CUORE» . Достижения в области физики высоких энергий . 2015 : 1–13. arXiv : 1402.6072 . doi : 10.1155/2015/879871 .
- ^ Носенго, Никола (15 апреля 2010 г.). «Римские слитки для защиты детектора частиц» . Новости природы . дои : 10.1038/news.2010.186 .
- ^ Лааш, Рикарда. «CUORE почти готов к первому охлаждению» . Журнал «Симметрия» . Проверено 6 сентября 2016 г.
- ^ Э. Андреотти; и др. (Сотрудничество HEART) (2011). " 130 Безнейтринный двойной бета-распад с CUORICINO». Astroarticle Physics . 34 (11): 822–831. arXiv : 1012.3266 . Bibcode : 2011APh....34..822A . doi : 10.1016/j.astropartphys.2011.02.002 . S2CID 119185418 .
- ^ Алессандрия, Ф.; и др. (Сотрудничество CUORE) (2013). «Поиск солнечных аксионов с энергией 14,4 кэВ из перехода М1 57 Fe с кристаллами CUORE». Journal of Cosmology and Astroarticle Physics . 2013 (5): 007. arXiv : 1209.2800 . Bibcode : 2013JCAP...05..007C . doi : 10.1088/1475-7516/2013/05/007 . S2CID 55697871 .
- ^ Альфонсо, К.; и др. (Сотрудничество CUORE) (2015). «Поиск безнейтринного двойного бета-распада Te 130 с CUORE-0». Письма о физических отзывах . 115 (10): 102502. arXiv : 1504.02454 . Бибкод : 2015PhRvL.115j2502A . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.102502 . ПМИД 26382673 . S2CID 30807808 .
- ^ Алдуино, К.; и др. (КУОРЕ) (2018). «Первые результаты CUORE: поиск нарушения лептонного числа посредством распада 0νββ Te130». Письма о физических отзывах . 120 (13): 132501. arXiv : 1710.07988 . doi : 10.1103/PhysRevLett.120.132501 . hdl : 1721.1/114731 . ПМИД 29694201 . S2CID 4309350 .
- ^ Адамс, DQ (26 марта 2020 г.). «Улучшенный предел безнейтринного двойного бета-распада в 130Te с помощью CUORE». Письма о физических отзывах . 124 (12): 122501. arXiv : 1912.10966 . Бибкод : 2020PhRvL.124l2501A . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.122501 . ПМИД 32281829 . S2CID 209444235 .
- ^ Адамс, Д.К.; Алдуино, К.; Альфонсо, К.; Авиньон, штат Форт; Аццолини, О.; Бари, Г.; Беллини, Ф.; Бенато, Г.; Беретта, М.; Биассони, М.; Бранка, А. (апрель 2022 г.). «Поиск майорановских нейтрино с использованием милликельвиновой криогеники с помощью HEART» . Природы . 604 (7904): 53–58. Бибкод : 2022Natur.604...53C . дои : 10.1038/s41586-022-04497-4 . ISSN 1476-4687 . ПМЦ 8986534 . ПМИД 35388194 .
- ^ Беккер, Адам (6 апреля 2022 г.). «Команда CUORE устанавливает новые ограничения на странное поведение нейтрино» . Центр новостей . Проверено 8 апреля 2022 г.
- ^ Группа интересов КУПИДОН (2015). «КУПИДОН: CUORE (Криогенная подземная обсерватория для редких событий) Модернизация с идентификацией частиц». arXiv : 1504.03599 [ physical.ins-det ].
- ^ Группа интересов КУПИДОН (2015). «НИОКР в направлении CUPID (обновление CUORE с идентификацией частиц)». arXiv : 1504.03612 [ physical.ins-det ].
- ^ Каноника, Л.; и др. (2013). «Подавление поверхностного фона в тепловых детекторах: проект ABSuRD». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 732 : 286–289. Бибкод : 2013NIMPA.732..286C . дои : 10.1016/j.nima.2013.05.114 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- CUORE Запись эксперимента на INSPIRE-HEP
- Официальная страница эксперимента CUORE
- СЕРДЦЕ на СПГ
- Страница Милана CUORE. Архивировано 8 декабря 2013 г. на Wayback Machine.
- Страница группы CUORE в Беркли
- Главная страница КУОРИСИНО. Архивировано 6 февраля 2009 г. в Wayback Machine.