La primera visión de los datos de la matriz completa de un detector de partículas profundamente refrigerado que funciona debajo de una montaña en Italia establece los límites más precisos hasta ahora en los que los científicos podrían encontrar un proceso teorizado para ayudar a explicar por qué hay más materia que antimateria en el universo.
Este nuevo resultado, publicado en línea en arXiv.org y enviado a la revista Cartas de revisión física , se basa en dos meses de datos recopilados del detector completo del experimento CUORE Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros en el Gran Sasso National Laboratories LNGS del Instituto Nacional Italiano de Física Nuclear INFN en Italia. CUOREsignifica "corazón" en italiano.
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab lidera el esfuerzo de física nuclear de los EE. UU. Para la colaboración internacional CUORE, que cuenta con alrededor de 150 miembros de 25 instituciones. El programa de física nuclear de los EE. UU. Ha hecho contribuciones sustanciales a la fabricación y al liderazgo científicodel detector CUORE.
CUORE se considera uno de los esfuerzos más prometedores para determinar si las pequeñas partículas elementales llamadas neutrinos, que interactúan solo raramente con la materia, son "partículas de Majorana", idénticas a sus propias antipartículas. Se sabe que la mayoría de las otras partículas tienen antipartículas que tienenla misma masa pero una carga diferente, por ejemplo. CUORE también podría ayudarnos a concentrarnos en las masas exactas de los tres tipos, o "sabores", de neutrinos: los neutrinos tienen la capacidad inusual de transformarse en diferentes formas.
"Esta es la primera vista previa de lo que es capaz de hacer un instrumento de este tamaño", dijo Oliviero Cremonesi, científico principal de la facultad de INFN y portavoz de la colaboración CUORE. Ya, la sensibilidad del conjunto completo de detectores ha excedido la precisión delmediciones reportadas en abril de 2015 después de una exitosa prueba de dos años que incluyó una torre de detección. Durante los próximos cinco años, CUORE recopilará aproximadamente 100 veces más datos.
Yury Kolomensky, científico principal de la facultad en la División de Ciencias Nucleares en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab y portavoz de los Estados Unidos para la colaboración CUORE, dijo: "El detector funciona excepcionalmente bien y estos dos meses de datos son suficientes para excederlos límites anteriores ". Kolomensky también es profesor en el Departamento de Física de UC Berkeley.
Los nuevos datos proporcionan un rango estrecho en el que los científicos podrían esperar ver alguna indicación del proceso de partículas para el que está diseñado, conocido como doble desintegración beta sin neutrinos.
"CUORE es, en esencia, uno de los termómetros más sensibles del mundo", dijo Carlo Bucci, coordinador técnico del experimento y portavoz italiano de la colaboración CUORE. Sus detectores, formados por 19 "torres" con marco de cobre que cada casauna matriz de 52 cristales de dióxido de telurio altamente purificados en forma de cubo, están suspendidos dentro de la cámara más interna de seis tanques anidados.
Enfriados por el refrigerador más potente de su clase, los tanques someten al detector a la temperatura más fría conocida registrada en un volumen de metro cúbico en todo el universo: menos 459 grados Fahrenheit 10 miliKelvin.
El conjunto de detectores fue diseñado y ensamblado durante un período de 10 años. Está protegido de muchas partículas externas, como los rayos cósmicos que bombardean constantemente la Tierra, por los 1.400 metros de roca que se encuentran sobre él, y por un grueso blindaje de plomo que incluye unforma de plomo agotada por la radiación rescatada de un antiguo naufragio romano. También se prepararon otros materiales detectores en condiciones ultrapuras, y los detectores se ensamblaron en cajas de guantes selladas llenas de nitrógeno para evitar la contaminación del aire normal.
"Diseñar, construir y operar CUORE ha sido un largo viaje y un logro fantástico", dijo Ettore Fiorini, un físico italiano que desarrolló el concepto de los detectores sensibles al calor de CUORE bolómetros de dióxido de teluro y el portavoz emérito dela colaboración CUORE. "El empleo de detectores térmicos para estudiar neutrinos tomó varias décadas y trajo al desarrollo de tecnologías que ahora se pueden aplicar en muchos campos de investigación".
En conjunto, que pesa más de 1,600 libras, la matriz de cristales de CUORE de tamaño aproximado de un puño es extremadamente sensible a los procesos de partículas, especialmente a esta temperatura extrema. Los instrumentos asociados pueden medir con precisión cambios de temperatura muy leves en los cristales resultantes de estos procesos.
Los científicos de Berkeley Lab y Lawrence Livermore National Laboratory suministraron aproximadamente la mitad de los cristales para el proyecto CUORE. Además, el equipo de Berkeley Lab diseñó y fabricó los sensores de temperatura altamente sensibles, llamados termistores dopados por transmutación de neutrones, inventados por Eugene Haller,un científico principal de la Facultad de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y un miembro de la facultad de UC Berkeley.
Los investigadores de Berkeley Lab también diseñaron y construyeron una sala limpia especializada provista de aire sin radiactividad natural, para que los detectores CUORE pudieran instalarse en el criostato en condiciones ultralimpias. Y los científicos e ingenieros de Berkeley Lab, bajo el liderazgo del UC Berkeley postdocVivek Singh, trabajó con colegas italianos para encargar los sistemas criogénicos CUORE, incluido un sistema de enfriamiento único y poderoso llamado refrigerador de dilución.
Los ex estudiantes posdoctorales de UC Berkeley, Tom Banks y Tommy O'Donnell, que también tenían citas conjuntas en la División de Ciencias Nucleares en Berkeley Lab, lideraron el equipo internacional de físicos, ingenieros y técnicos para ensamblar más de 10,000 piezas en torres de nitrógeno.llenaron las guanteras. Se unieron casi 8,000 alambres de oro, que miden solo 25 micras de diámetro, a almohadillas del tamaño de 100 micras en los sensores de temperatura y en las almohadillas de cobre conectadas al cableado del detector.
las mediciones CUORE llevan la firma reveladora de tipos específicos de interacciones de partículas o descomposición de partículas, un proceso espontáneo por el cual una partícula o partículas se transforman en otras partículas.
En la doble desintegración beta, que se ha observado en experimentos anteriores, dos neutrones en el núcleo atómico de un elemento radiactivo se convierten en dos protones. Además, se emiten dos electrones, junto con otras dos partículas llamadas antineutrinos.
Mientras tanto, la desintegración beta doble sin neutrinos, el proceso específico que CUORE está diseñado para encontrar o descartar, no produciría ningún antineutrino. Esto significaría que los neutrinos son sus propias antipartículas. Durante este proceso de desintegración, las dos partículas de antineutrinoefectivamente se eliminan entre sí, sin dejar rastro en el detector CUORE. La evidencia de este tipo de proceso de descomposición también ayudaría a los científicos a explicar el papel de los neutrinos en el desequilibrio de la materia frente a la antimateria en nuestro universo.
Se espera que la desintegración doble beta sin neutrinos sea extremadamente rara, ocurriendo a lo sumo si es que lo hace una vez cada 100 septillones 1 seguido de 26 ceros años en el núcleo de un átomo dado. El gran volumen de cristales detectores está destinado a aumentar considerablementela probabilidad de registrar tal evento durante la vida del experimento.
Existe una creciente competencia de experimentos nuevos y planificados para resolver si este proceso existe utilizando una variedad de técnicas de búsqueda, y Kolomensky señaló: "La competencia siempre ayuda. Impulsa el progreso, y también podemos verificar los resultados de cada uno y ayudar a cada unootro con técnicas de detección de materiales y análisis de datos "
Lindley Winslow, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, que coordinó el análisis de los datos de CUORE, dijo: "Estamos tentadormente cerca de un territorio completamente inexplorado y hay una gran posibilidad de descubrimiento. Es un momento emocionante para estar en el experimento."
Encuentre el informe en línea en: http://arxiv.org/abs/1710.07459
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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