Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc «  sans neutrinos  » théorisés

Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc `` sans neutrinos '' théorisés

Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc `` sans neutrinos '' théorisés

Le détecteur CUPID-Mo est installé dans le cryostat EDELWEISS du Modane Underground Laboratory (LSM) en France. Crédit: collaboration CUPID-Mo

Les physiciens nucléaires affiliés au Lawrence Berkeley National Laboratory du Département américain de l’énergie (Berkeley Lab) ont joué un rôle de premier plan dans l’analyse des données pour une expérience de démonstration qui a atteint une précision record pour un matériau de détecteur spécialisé.


L’expérience CUPID-Mo fait partie d’un champ d’expériences qui utilisent une variété d’approches pour détecter un processus de particules théorisé, appelé désintégration double bêta sans neutrinol, qui pourrait réviser notre compréhension des particules fantomatiques appelées neutrinos et de leur rôle dans la formation de l’univers.

Les résultats préliminaires de l’expérience CUPID-Mo, basés sur l’analyse dirigée par Berkeley Lab des données collectées de mars 2019 à avril 2020, ont établi une nouvelle limite mondiale pour le processus de désintégration double sans bêta sans neutrinol dans un isotope du molybdène connu sous le nom de Mo-100. Les isotopes sont des formes d’un élément qui portent un nombre différent de particules non chargées appelées neutrons dans leurs noyaux atomiques.

Le nouveau résultat fixe la limite de la demi-vie de désintégration double sans bêta sans neutrons dans le Mo-100 à 1,4 fois le trillion-trillion d’années (soit 14 suivis de 23 zéros), ce qui représente une amélioration de 30% de la sensibilité par rapport au Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), une expérience antérieure qui a fonctionné sur le même site de 2003 à 2011 et a également utilisé du Mo-100. Une demi-vie est le temps qu’il faut à un isotope radioactif pour perdre la moitié de sa radioactivité.

Le processus de désintégration double bêta sans neutrinos est théoriquement très lent et rare, et aucun événement n’a été détecté dans CUPID-Mo après un an de collecte de données.

Alors que les deux expériences utilisaient du Mo-100 dans leurs réseaux de détecteurs, NEMO 3 a utilisé une forme en feuille de l’isotope tandis que CUPID-Mo a utilisé une forme cristalline qui produit des éclairs de lumière dans certaines interactions de particules.

Des expériences plus grandes qui utilisent différents matériaux de détection et qui fonctionnent pendant de plus longues périodes ont atteint une plus grande sensibilité, bien que le succès précoce signalé de CUPID-Mo ouvre la voie à une expérience de successeur planifiée appelée CUPID avec un réseau de détecteurs qui sera 100 fois plus grand.

Les contributions de Berkeley Lab à CUPID-Mo

Aucune expérience n’a encore confirmé l’existence du processus sans neutrinol. L’existence de ce processus confirmerait que les neutrinos servent de leurs propres antiparticules, et une telle preuve aiderait également à expliquer pourquoi la matière l’emporte sur l’antimatière dans notre univers.

Toutes les données de l’expérience CUPID-Mo – l’acronyme CUPID signifie CUORE Upgrade with Particle IDentification, et «Mo» est pour le molybdène contenu dans le cristal du détecteur – sont transmises par Modane Underground Laboratory (Laboratoire souterrain de Modane) en France au supercalculateur Cori du Centre national de calcul scientifique de recherche énergétique du Berkeley Lab.

Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc `` sans neutrinos '' théorisés

Les 20 cristaux cylindriques de CUPID-Mo sont représentés dans leur boîtier en cuivre. Crédit: collaboration CUPID-Mo

Benjamin Schmidt, chercheur postdoctoral à la division des sciences nucléaires du Berkeley Lab, a dirigé l’effort global d’analyse des données pour le résultat CUPID-Mo et a été soutenu par une équipe de chercheurs affiliés au Berkeley Lab et d’autres membres de la collaboration internationale.

Berkeley Lab a également fourni 40 capteurs qui ont permis la lecture des signaux captés par le réseau de détecteurs à 20 cristaux de CUPID-Mo. Le réseau a été surfondu à environ 0,02 kelvin, ou moins 460 degrés Fahrenheit, pour maintenir sa sensibilité. Ses cristaux cylindriques contiennent du lithium, de l’oxygène et l’isotope Mo-100 et produisent de minuscules éclairs de lumière dans les interactions des particules.

L’effort international pour produire le résultat CUPID-Mo est remarquable, a déclaré Schmidt, étant donné le contexte de la pandémie mondiale qui avait jeté une incertitude sur le fonctionnement continu de l’expérience.

« Pendant un certain temps, il semblait que nous devions arrêter prématurément l’expérience CUPID-Mo en raison de l’épidémie de COVID-19 en Europe début mars et des difficultés associées à fournir à l’expérience les liquides cryogéniques requis », a-t-il déclaré. .

Il a ajouté: « Malgré cette incertitude et les changements associés à la fermeture des bureaux et des écoles, ainsi que l’accès restreint au laboratoire souterrain, nos collaborateurs ont fait tout leur possible pour que l’expérience se poursuive pendant la pandémie. »

Schmidt a crédité les efforts du groupe d’analyse de données qu’il a dirigé pour trouver un moyen de travailler à domicile et produire les résultats de l’expérience à temps pour les présenter à Neutrino 2020, une conférence internationale virtuelle sur la physique et l’astrophysique des neutrinos organisée par Fermi National Laboratoire d’accélérateurs. Les membres de la collaboration CUPID-Mo prévoient de soumettre les résultats pour publication dans une revue scientifique à comité de lecture.

Réglage des détecteurs ultrasensibles

Un défi particulier dans l’analyse des données, a déclaré Schmidt, était de s’assurer que les détecteurs étaient correctement calibrés pour enregistrer « l’ensemble extrêmement insaisissable des événements » qui devraient être associés à un signal de désintégration double sans bêta sans neutrinos.

Le processus de désintégration sans neutrinos devrait générer un signal de très haute énergie dans le détecteur CUPID-Mo et un flash de lumière. Le signal, parce qu’il est à une telle énergie élevée, devrait être exempt d’interférences par des sources naturelles de radioactivité.

Pour tester la réponse de CUPID-Mo aux signaux de haute énergie, les chercheurs avaient placé d’autres sources de signaux de haute énergie, dont le Tl-208, un isotope radioactif du thallium, près du réseau de détecteurs. Les signaux générés par la désintégration de cet isotope sont à une énergie élevée, mais pas aussi élevée que l’énergie prévue pour être associée au processus de désintégration sans neutrinos dans le Mo-100, s’il existe.

Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc `` sans neutrinos '' théorisés

Logo CUPID-Mo Crédit: collaboration CUPID-Mo

« Par conséquent, un grand défi était de nous convaincre que nous pouvons étalonner nos détecteurs avec des sources communes, en particulier le Tl-208 », a déclaré Schmidt, « puis d’extrapoler la réponse du détecteur à notre région de signal et de tenir correctement compte des incertitudes de cette extrapolation. . « 

Pour améliorer encore l’étalonnage avec des signaux à haute énergie, les physiciens nucléaires ont utilisé le cyclotron de 88 pouces de Berkeley Lab pour produire un fil contenant du Co-56, un isotope de cobalt qui a un faible niveau de radioactivité, dès la réouverture du cyclotron le mois dernier. suite à un arrêt temporaire en réponse à la pandémie de COVID-19. Le fil a été expédié en France pour être testé avec le réseau de détecteurs CUPID-Mo.

Se préparer pour une expérience de nouvelle génération en Italie

Alors que CUPID-Mo peut maintenant être à la traîne par rapport à la sensibilité des mesures obtenues par d’autres expériences – qui utilisent différentes techniques et matériaux de détection – car il est plus petit et n’a pas encore rassemblé autant de données, « Avec l’expérience CUPID complète, qui utilisera environ 100 fois plus de Mo-100, et avec 10 ans de fonctionnement, nous avons d’excellentes perspectives pour la recherche et la découverte potentielle de désintégration double sans bêta sans neutrinos « , a déclaré Schmidt.

CUPID-Mo a été installé sur le site de l’expérience de recherche de matière noire Edelweiss III dans un tunnel à plus d’un mile de profondeur en France, près de la frontière italienne, et utilise certains composants d’Edelweiss III. Le CUPID, quant à lui, est proposé de remplacer l’expérience de recherche de désintégration à double bêta sans neutrinos CUORE au Laboratoire national du Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) en Italie. Alors que CUPID-Mo ne contient que 20 cristaux détecteurs, CUPID en contiendrait plus de 1 500.

« Une fois que CUORE aura terminé la collecte des données dans deux ou trois ans, la construction du détecteur CUPID pourrait prendre quatre ou cinq ans », a déclaré Yury Kolomensky, porte-parole américain de la collaboration CUORE et chercheur principal à Berkeley Lab, qui dirige la collaboration de CUORE aux États-Unis. . « CUPID serait une mise à niveau relativement modeste en termes de coûts et de défis techniques, mais ce sera une amélioration significative en termes de sensibilité. »

La prise de données physiques pour CUPID-Mo s’est terminée le 22 juin, et les nouvelles données qui n’étaient pas prises en compte dans le dernier résultat représentent une croissance d’environ 20% à 30% des données globales. CUPID-Mo est soutenu par un groupe de laboratoires français et par des laboratoires aux États-Unis, en Ukraine, en Russie, en Italie, en Chine et en Allemagne.

Le NERSC est une installation utilisateur du DOE Office of Science.

La collaboration CUPID-Mo rassemble des chercheurs de 27 institutions, dont les laboratoires français Irfu / CEA et IJCLab à Orsay; IP2I à Lyon; et l’Institut Néel et SIMaP à Grenoble, ainsi que des institutions aux États-Unis, en Ukraine, en Russie, en Italie, en Chine et en Allemagne.

L’expérience est soutenue par le Département américain de l’énergie Office of Science’s 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, National Science Fondation, le Fonds France-Berkeley, le fonds MISTI-France et le Bureau des Sciences et Technologies de l’Ambassade de France aux États-Unis


Des chercheurs développent une nouvelle approche pour modéliser un processus nucléaire rare mais non confirmé


Fourni par Lawrence Berkeley National Laboratory

Citation: Les scientifiques démontrent une nouvelle expérience dans la recherche de proc «  neutrinoless  » théorisé (2020, 13 juillet) récupéré le 13 juillet 2020 sur https://phys.org/news/2020-07-scientists-theised-neutrinoless-proc.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Hormis toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.