Обогащенная ксеноновая обсерватория

32 ° 22'18 "с.ш. 103 ° 47'37" з.д. / 32,37167 ° с.ш. 103,79361 ° з.д. / 32,37167; -103,79361

Обсерватория обогащенного ксенона ( EXO ) — это эксперимент по физике элементарных частиц, направленный на поиск безнейтринного двойного бета-распада ксенона - 136 в WIPP недалеко от Карлсбада, Нью-Мексико, США.

Обнаружение безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) докажет майорановскую природу нейтрино и повлияет на значения масс и упорядочение нейтрино. Это важные открытые темы в физике элементарных частиц .

EXO в настоящее время имеет 200-килограммовую ксеноновую жидкостную проекционную камеру времени ( EXO-200 ) и занимается исследованиями и разработками эксперимента массой в тонну ( nEXO ). Обнаружен двойной бета-распад ксенона и установлены пределы для 0νββ.

Обзор

EXO измеряет скорость событий безнейтринного распада, превышающую ожидаемый фон подобных сигналов, чтобы найти или ограничить период полураспада двойного бета-распада, который связан с эффективной массой нейтрино с использованием элементов ядерной матрицы. Предел эффективной массы нейтрино ниже 0,01 эВ будет определять порядок массы нейтрино. Эффективная масса нейтрино зависит от массы легчайшего нейтрино таким образом, что эта граница указывает на нормальную иерархию масс. ^[1]

Ожидаемая частота событий 0νββ очень низкая, поэтому фоновое излучение представляет собой серьезную проблему. WIPP имеет 650 метров (2130 футов) покрывающих пород, что эквивалентно 1600 метрам (5200 футов) воды, для экранирования входящих космических лучей. Свинцовая защита и криостат также защищают установку. Безнейтринные распады будут выглядеть как узкий всплеск в энергетическом спектре около значения Q ксенона (Qββ ₌ 2457,8 кэВ), которое довольно велико и превышает большинство гамма-распадов.

ЭКСО-200

История

EXO-200 был разработан с целью производить менее 40 событий в год в пределах двух стандартных отклонений ожидаемой энергии распада. Этот фон был достигнут путем отбора и проверки всех материалов на радиочистоту. Первоначально сосуд должен был быть изготовлен из тефлона, но в окончательной конструкции сосуда использовалась тонкая сверхчистая медь. ^[2] EXO-200 был переведен из Стэнфорда в WIPP летом 2007 года. ^[3] Сборка и ввод в эксплуатацию продолжались до конца 2009 г., сбор данных начался в мае 2011 г. Калибровка проводилась с использованием ²²⁸эт, ¹³⁷Cs и ⁶⁰Источники гамма-коэффициента.

Дизайн

В прототипе EXO-200 используется медная цилиндрическая камера для проекции времени, заполненная 150 килограммами (331 фунт) чистого жидкого ксенона. Ксенон является сцинтиллятором , поэтому частицы распада производят мгновенный свет, который обнаруживается лавинными фотодиодами , определяя время события. Сильное электрическое поле направляет ионизационные электроны к проводам для сбора. Время между светом и первым сбором определяет координату z события, а сетка проводов определяет радиальные и угловые координаты.

Криостат EXO-200 установлен под землей на WIPP.
Чистые помещения EXO-200 установлены под землей на WIPP.

Результаты

Фон от радиоактивности Земли (Th/U) и ¹³⁷Загрязнение Xe привело к ≈2×10 ⁻³ отсчетов/(кэВ·кг·год) в детекторе. Было достигнуто энергетическое разрешение вблизи Q _ββ 1,53%. ^[4]

В августе 2011 года EXO-200 стал первым экспериментом, наблюдавшим двойной бета-распад. ¹³⁶Xe, с периодом полураспада 2,11×10. ²¹ годы. ^[5] Это самый медленный процесс, наблюдаемый непосредственно. Улучшенный период полураспада: 2,165 ± 0,016 (стат) ± 0,059 (система) × 10. ²¹ лет был опубликован в 2014 году. ^[6] EXO установила предел безнейтринного бета-распада в 1,6×10. ²⁵ лет в 2012. ^[7] Пересмотренный анализ данных второго опыта с воздействием 100 кг·год, опубликованный в июньском выпуске журнала Nature, снизил пределы периода полураспада до 1,1×10. ²⁵ год, а масса до 450 мэВ. ^[4] Это было использовано для подтверждения мощности конструкции и предлагаемого расширения.

Был взят дополнительный пробег на два года.

EXO-200 выполнил две научные операции: Фазу I (2011–2014 гг.) и после модернизации Фазу II (2016–2018 гг.) с общим облучением 234,1 кг·год. В объединенных данных фаз I и II не обнаружено никаких свидетельств безнейтринного двойного бета-распада, что дает нижнюю границу $3.5\cdot 10^{25}$ лет для периода полураспада и верхней массы 239 мэВ. ^[8] Фаза II была заключительной эксплуатацией EXO-200.

nEXO

Масштабный эксперимент nEXO («следующий EXO») должен преодолеть множество предысторий. Сотрудничество EXO изучает множество возможностей для этого, включая мечение барием в жидком ксеноне. Любое событие двойного бета-распада оставит после себя дочерний ион бария, в то время как фоны, такие как радиоактивные примеси или нейтроны, не оставят. Требование наличия ионов бария в месте события исключает весь фон. Было продемонстрировано мечение одного иона бария и достигнут прогресс в разработке метода извлечения ионов из жидкого ксенона. Был продемонстрирован метод замораживания зонда, а также разрабатывается метод газовой маркировки. ^[9]

В документе EXO-200 от 2014 года указано, что TPC массой 5000 кг может улучшить фон за счет ксеноновой самозащиты и лучшей электроники. Диаметр будет увеличен до 130 см, а в качестве защиты и мюонного вето будет добавлен резервуар для воды. Это намного больше длины затухания гамма-лучей. Завершено производство радиочистой меди для nEXO. Планируется к установке в СНОЛАБ «Криояма». ^[10]^: 17^[11]^: 7

В статье, опубликованной в октябре 2017 года, подробно описан эксперимент и обсуждаются чувствительность и потенциал открытия nEXO для безнейтринного двойного бета-распада. ^[12]Подробности о показаниях ионизации TPC также были опубликованы. ^[13]

Отчет о предварительном концептуальном проектировании (pCDR) для nEXO был опубликован в 2018 году. Планируемое место проведения — SNOLAB , Канада.

Ссылки

^ См. П. Фогель, А. Пипке (2007). « Безнейтринный двойной бета-распад », в В.-М. Яо и др. ( Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц». Журнал физики Г. 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y . дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .
^ Д. Леонард (2008). «Систематическое исследование микрорадиоактивных примесей в строительных материалах-кандидатах для EXO-200». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 591 (3): 490–509. arXiv : 0709.4524 . Бибкод : 2008NIMPA.591..490L . дои : 10.1016/j.nima.2008.03.001 . S2CID 118334959 .
^ «Оборудование проекта EXO успешно размещено под землей на WIPP» (PDF) (Пресс-релиз). Новости Министерства энергетики . 24 июля 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б Альберт, Дж.Б.; Оти, диджей; Барбо, PS; Бошан, Э.; Бек, Д.; Белов В.; Бенитес-Медина, К.; Бонатт, Дж.; Брайденбах, М.; Бруннер, Т.; Буренков А.; Цао, Г.Ф.; Чемберс, К.; Чавес, Дж.; Кливленд, Б.; Кун, М.; Крейкрафт, А.; Дэниэлс, Т.; Данилов М.; Догерти, С.Дж.; Дэвис, CG; Дэвис, Дж.; Дево, Р.; Делакис, С.; Дидберидзе, Т.; Долголенко А.; Долински, МЮ; Данфорд, М.; Фэрбанк-младший, В.; и др. (12 июня 2014 г.). «Поиск майорановских нейтрино по данным EXO-200 за первые два года». Природа . 510 (7504): 229–234. arXiv : 1402.6956 . Бибкод : 2014Natur.510..229T . дои : 10.1038/nature13432 . ПМИД 24896189 . S2CID 2740003 .
^ Н. Акерман; и др. (2011). «Наблюдение двойного бета-распада двух нейтрино в ¹³⁶Xe с EXO-200». Письма о физическом обзоре . 107 (21): 212501. arXiv : 1108.4193 . Bibcode : 2011PhRvL.107u2501A . doi : /PhysRevLett.107.212501 . PMID 22181874. . .S2CID 40334443 10.1103
^ Альберт, Дж.Б.; Оже, М.; Оти, диджей; Барбо, PS; Бошан, Э.; Бек, Д.; Белов В.; Бенитес-Медина, К.; Бонатт, Дж.; Брайденбах, М.; Бруннер, Т.; Буренков А.; Цао, Г.Ф.; Чемберс, К.; Чавес, Дж.; Кливленд, Б.; Кук, С.; Крейкрафт, А.; Дэниэлс, Т.; Данилов М.; Догерти, С.Дж.; Дэвис, CG; Дэвис, Дж.; Дево, Р.; Делакис, С.; Доби, А.; Долголенко А.; Долински, МЮ; Данфорд, М.; и др. (2014). «Улучшенное измерение периода полураспада 2νββ Xe-136 с помощью EXO-200». Физ. Преподобный С. 89 (1): 015502. arXiv : 1306.6106 . Бибкод : 2014PhRvC..89a5502A . дои : 10.1103/PhysRevC.89.015502 .
^ М. Оже; и др. (2012). «Поиск безнейтринного двойного бета-распада в ¹³⁶Xe с EXO-200». Письма о физическом обзоре . 109 (3): 032505. arXiv : 1205.5608 . Bibcode : 2012PhRvL.109c2505A . doi : /PhysRevLett.109.032505 . PMID 22861843. . S2CID 29698686 10.1103
^ Антон, Г.; и др. (18 октября 2019 г.). «Поиск безнейтринного двойного $\ensuremath{\beta}$ распада с использованием полного набора данных EXO-200». Письма о физических отзывах . 123 (16): 161802. arXiv : 1906.02723 . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.161802 . ПМИД 31702371 . S2CID 174803277 .
^ П. Фирлингер; и др. (2008). «Микрофабрикатный датчик для тонких диэлектрических слоев». Обзор научных инструментов . 79 (4): 045101–045101–7. arXiv : 0706.0540 . Бибкод : 2008RScI...79d5101F . дои : 10.1063/1.2906402 . ПМИД 18447546 . S2CID 2950473 .
^ Ян, Лян (8 июля 2016 г.). Статус и перспективы экспериментов EXO-200 и nEXO (PDF) . XXVII Международная конференция по нейтринной физике и астрофизике (доклад). Лондон. Архивировано из оригинала (PDF) 17 ноября 2016 года . Проверено 16 ноября 2016 г. Видео доступно на Neutrino Conference 2016 — пятница (часть 1) на YouTube .
^ Маклеллан, Райан (25 сентября 2017 г.). nEXO: эксперимент нового поколения по двойному бета-распаду масштаба в тонну . XV Международная конференция по проблемам астрочастиц и подземной физики (ТАУП 2017) (доклад). Садбери , Канада.
^ Альберт, Дж.Б.; и др. (Сотрудничество nEXO) (2018). «Чувствительность и потенциал открытия nEXO к безнейтринному двойному бета-распаду». Физический обзор C . 97 (6): 065503. arXiv : 1710.05075 . Бибкод : 2018PhRvC..97f5503A . дои : 10.1103/PhysRevC.97.065503 . S2CID 67854591 . LLNL-JRNL-737682
^ Джуэлл, М.; и др. (Сотрудничество nEXO) (14 октября 2017 г.). «Характеристика плитки считывания ионизации для nEXO». Журнал приборостроения . 13 : P01006. arXiv : 1710.05109 . дои : 10.1088/1748-0221/13/01/P01006 . S2CID 56297955 .

Внешние ссылки

[1] См. П. Фогель, А. Пипке (2007). « Безнейтринный двойной бета-распад », в В.-М. Яо и др. ( Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц». Журнал физики Г. 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y . дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .

[2] Д. Леонард (2008). «Систематическое исследование микрорадиоактивных примесей в строительных материалах-кандидатах для EXO-200». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 591 (3): 490–509. arXiv : 0709.4524 . Бибкод : 2008NIMPA.591..490L . дои : 10.1016/j.nima.2008.03.001 . S2CID 118334959 .

[3] «Оборудование проекта EXO успешно размещено под землей на WIPP» (PDF) (Пресс-релиз). Новости Министерства энергетики . 24 июля 2007 г.

[:0-4] Jump up to: ^а ^б Альберт, Дж.Б.; Оти, диджей; Барбо, PS; Бошан, Э.; Бек, Д.; Белов В.; Бенитес-Медина, К.; Бонатт, Дж.; Брайденбах, М.; Бруннер, Т.; Буренков А.; Цао, Г.Ф.; Чемберс, К.; Чавес, Дж.; Кливленд, Б.; Кун, М.; Крейкрафт, А.; Дэниэлс, Т.; Данилов М.; Догерти, С.Дж.; Дэвис, CG; Дэвис, Дж.; Дево, Р.; Делакис, С.; Дидберидзе, Т.; Долголенко А.; Долински, МЮ; Данфорд, М.; Фэрбанк-младший, В.; и др. (12 июня 2014 г.). «Поиск майорановских нейтрино по данным EXO-200 за первые два года». Природа . 510 (7504): 229–234. arXiv : 1402.6956 . Бибкод : 2014Natur.510..229T . дои : 10.1038/nature13432 . ПМИД 24896189 . S2CID 2740003 .

[Ackerman-5] Н. Акерман; и др. (2011). «Наблюдение двойного бета-распада двух нейтрино в ¹³⁶Xe с EXO-200». Письма о физическом обзоре . 107 (21): 212501. arXiv : 1108.4193 . Bibcode : 2011PhRvL.107u2501A . doi : /PhysRevLett.107.212501 . PMID 22181874. . .S2CID 40334443 10.1103

[6] Альберт, Дж.Б.; Оже, М.; Оти, диджей; Барбо, PS; Бошан, Э.; Бек, Д.; Белов В.; Бенитес-Медина, К.; Бонатт, Дж.; Брайденбах, М.; Бруннер, Т.; Буренков А.; Цао, Г.Ф.; Чемберс, К.; Чавес, Дж.; Кливленд, Б.; Кук, С.; Крейкрафт, А.; Дэниэлс, Т.; Данилов М.; Догерти, С.Дж.; Дэвис, CG; Дэвис, Дж.; Дево, Р.; Делакис, С.; Доби, А.; Долголенко А.; Долински, МЮ; Данфорд, М.; и др. (2014). «Улучшенное измерение периода полураспада 2νββ Xe-136 с помощью EXO-200». Физ. Преподобный С. 89 (1): 015502. arXiv : 1306.6106 . Бибкод : 2014PhRvC..89a5502A . дои : 10.1103/PhysRevC.89.015502 .

[7] М. Оже; и др. (2012). «Поиск безнейтринного двойного бета-распада в ¹³⁶Xe с EXO-200». Письма о физическом обзоре . 109 (3): 032505. arXiv : 1205.5608 . Bibcode : 2012PhRvL.109c2505A . doi : /PhysRevLett.109.032505 . PMID 22861843. . S2CID 29698686 10.1103

[8] Антон, Г.; и др. (18 октября 2019 г.). «Поиск безнейтринного двойного $\ensuremath{\beta}$ распада с использованием полного набора данных EXO-200». Письма о физических отзывах . 123 (16): 161802. arXiv : 1906.02723 . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.161802 . ПМИД 31702371 . S2CID 174803277 .

[9] П. Фирлингер; и др. (2008). «Микрофабрикатный датчик для тонких диэлектрических слоев». Обзор научных инструментов . 79 (4): 045101–045101–7. arXiv : 0706.0540 . Бибкод : 2008RScI...79d5101F . дои : 10.1063/1.2906402 . ПМИД 18447546 . S2CID 2950473 .

[10] Ян, Лян (8 июля 2016 г.). Статус и перспективы экспериментов EXO-200 и nEXO (PDF) . XXVII Международная конференция по нейтринной физике и астрофизике (доклад). Лондон. Архивировано из оригинала (PDF) 17 ноября 2016 года . Проверено 16 ноября 2016 г. Видео доступно на Neutrino Conference 2016 — пятница (часть 1) на YouTube .

[11] Маклеллан, Райан (25 сентября 2017 г.). nEXO: эксперимент нового поколения по двойному бета-распаду масштаба в тонну . XV Международная конференция по проблемам астрочастиц и подземной физики (ТАУП 2017) (доклад). Садбери , Канада.

[12] Альберт, Дж.Б.; и др. (Сотрудничество nEXO) (2018). «Чувствительность и потенциал открытия nEXO к безнейтринному двойному бета-распаду». Физический обзор C . 97 (6): 065503. arXiv : 1710.05075 . Бибкод : 2018PhRvC..97f5503A . дои : 10.1103/PhysRevC.97.065503 . S2CID 67854591 . LLNL-JRNL-737682

[13] Джуэлл, М.; и др. (Сотрудничество nEXO) (14 октября 2017 г.). «Характеристика плитки считывания ионизации для nEXO». Журнал приборостроения . 13 : P01006. arXiv : 1710.05109 . дои : 10.1088/1748-0221/13/01/P01006 . S2CID 56297955 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]