CUORE - Википедия - CUORE

Эксперимент CUORE открыт 23 октября 2017 г.

Координаты: 42 ° 27'N 13 ° 34'E / 42,450 ° с. Ш. 13,567 ° в. / 42.450; 13.567

Строящийся криостат CUORE, октябрь 2014 г.

В Криогенная подземная обсерватория для редких событий (CUORE, произносится [ˈKwɔːre]) это физика элементарных частиц объект, расположенный под землей на Laboratori Nazionali del Gran Sasso в Ассерги, Италия.[1][2] CUORE был разработан в первую очередь как поиск безнейтринный двойной бета-распад в 130То есть процесс, который никогда не наблюдался.[3] Оно использует диоксид теллура (TeO2) кристаллы как источник распада и как болометры для обнаружения образовавшихся электронов. CUORE ищет характерный сигнал безнейтринного двойного бета-распада, небольшой пик в наблюдаемом энергетическом спектре около известной энергии распада; для 130Те, это Q = 2527,518 ± 0,013 кэВ.[4] CUORE также может искать сигналы от темная материя кандидаты, такие как аксионы и WIMPs.[1]

Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада окончательно показало бы, что нейтрино являются Майорана фермионы; то есть они сами по себе античастицы.[5] Это актуально для многих тем в физике элементарных частиц, включая сохранение лептонного числа, ядерная структура, и нейтрино массы и свойства.

В коллаборации CUORE участвуют физики из нескольких стран, в первую очередь из Соединенные Штаты и Италия.[6] CUORE финансируется Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Италии, Министерство энергетики США, а Национальный научный фонд Соединенных Штатов.

В сентябре 2014 г. в рамках тестирования CUORE холодильник для разбавления ученые из коллаборации CUORE охлаждали медный сосуд объемом в один кубический метр до 6 мК (0,006 К, -273,144 ° C) в течение 15 дней, установив рекорд самой низкой температуры во Вселенной в таком большом непрерывном объеме.[5][7][8][9]

Детекторы

Детекторы CUORE TeO2 кристаллы используются как низкие теплоемкость болометры, расположенные в башни и охлаждаемые в большом криостат примерно до 10 мК с холодильник для разбавления. Детекторы изолированы от теплового, электромагнитного и других фоновых частиц окружающей среды за счет сверхчистой защиты с низким уровнем радиоактивности. Температурные пики от электронов, испускаемых при двойном бета-распаде Те, собираются для анализа спектра. Детекторы калибруются с помощью 232Чт, первый элемент в длинном цепочка распада это включает несколько известных гамма лучи до 2615 кэВ.

Для создания CUORE сотрудничество следовало нескольким процедурам, чтобы минимизировать радиоактивное загрязнение это может заставить детекторы регистрировать фоновые события при энергиях, близких к энергии, выделяемой при безнейтринном двойном бета-распаде. Кристаллы были выращены Шанхайским институтом керамики в г. Китайская Академия Наук со строгими требованиями радиационной чистоты.[10] Кристаллы удерживаются на месте PTFE опора в башнях, построенных из бескислородная медь с высокой теплопроводностью и были собраны под азотом внутри перчаточные ящики в чистые помещения. Медь, свинец, древний римский свинец с низкой радиоактивностью, и борированный полиэтилен используются для защиты детекторов. Алгоритмы совпадения также используются для отклонения событий, которые привели к срабатыванию нескольких каналов, например, вызванных входящим космический луч мюон или гамма-луч, который Комптоновские скаттеры в нескольких кристаллах.[11]

История

Куоричино была первой крупномасштабной башней-болометром, использовавшейся для поиска редких событий, и эксплуатировалась с 2003 по 2008 год. Она имела 62 TeO.2 кристаллы (11 кг 130Те), с некоторыми кристаллами, обогащенными 130Те и другие с естественным содержанием изотопов, а также кристаллы немного большего и меньшего размера.[12] Башня была похожа по конструкции на башню CUORE и была защищена медью, свинцом и римским свинцом. Cuoricino работал около 8 мК в относительно небольшом холодильнике для разбавления.[13]

Используя результаты Cuoricino, были окончательно доработаны детали детекторных башен CUORE, и была установлена ​​последовательность сборки для строительства этих 19 башен.[13] CUORE-0 была первой детекторной башней, произведенной на этом конвейере. Имело 52 улучшенных ТеО.2 кристаллы в медной башне с большей чистотой поверхности и значительно сниженным содержанием радона и других загрязнений.[14] Он работал в криостате Куоричино с 2013 по 2015 год в качестве первого испытания новых процедур сборки CUORE, когда сборка башен CUORE была завершена.[15]

CUORE - это увеличенная версия CUORE-0, размещенная в новом специализированном криостате, способном поддерживать детектор массой около одной тонны. Содержит 988 5 × 5 × 5 см.3 кристаллы, с 741 кг TeO2 (206 кг 130Те). Новый криостат изготовлен из особо радиочистых материалов.[16] и большой древнеримский свинцовый щит используется для защиты детекторов.[17] Снаружи криостата имеется восьмиугольный экран весом 73 тонны, сделанный из свинца и борированного полиэтилена, чтобы уменьшить количество гамма-лучей и нейтронов окружающей среды, попадающих на детектор.[16] Из-за большого количества дискретных детекторов мюоны космических лучей можно легко исключить, отбросив события, которые происходят одновременно в нескольких детекторах.[11]

Башни CUORE были установлены в криостат в августе 2016 г.[18] Сбор данных с помощью CUORE начался в мае 2017 года.

Результаты

Куоричино взял данные с апреля 2003 года по июнь 2008 года. Окончательные результаты с использованием 19,75 кг · год 130Экспозиция установила лидирующие в мире 90% ограничения на 130Te 0νββ период полураспада Т 0ν
½  > 2.8 × 1024 год, с фоном 0,18 ± 0,01 / (кэВ · кг · год) вблизи энергии распада 0νββ.[19] Были также установлены пределы массы аксионов в соответствии с другими экспериментами.[20]

Первый документ с подробным описанием исходных характеристик CUORE-0 был опубликован в августе 2014 года с использованием данных, полученных с марта по сентябрь 2013 года, с экспозицией 7,1 кг · год, показывая фон, уменьшенный в 6 раз по сравнению с CUORICINO, и энергетическое разрешение 5,7 кэВ.[14] Предел для 0νββ был представлен в апреле 2015 года, объединив 9,8 кг · год воздействия CUORE-0 с воздействием Куоричино, чтобы установить новый предел Т 0ν
½  > 4.0×1024 г.[21]

CUORE имеет целевой фон 0,01 · отсчетов / (кэВ · кг · год) в интересующей области 0νββ с целевым разрешением по энергии 5,0 кэВ. По оценкам, через пять лет CUORE будет иметь 90% чувствительность периода полураспада CL к 0νββ, равную 9,5 × 10.25 yr, и эффективная массовая чувствительность майорановских нейтрино 0,05–0,13 эВ (в зависимости от используемых ядерных матричных элементов).[16]

Первые результаты полного эксперимента CUORE были опубликованы в 2018 году.[22] Никаких свидетельств безнейтринного двойного бета-распада обнаружено не было.

Исследования и разработки

АМУР это "CUORE Upgrade с пстатья Мне быentification, проект исследования и разработки детектора CUORE.[23] Несколько исследовательских групп по всему миру работают над материалами для этого обновления.[24] CUPID стремится использовать новые детекторные материалы в том же криостате, что и CUORE.

ABSuRD является "А Bплощадка Всrface рвыброс Detector "научно-исследовательский и опытно-конструкторский проект детектора CUORE. Целью проекта является разработка сцинтилляционного болометра, способного блокировать ионизирующее фоновое излучение.[25]

использованная литература

  1. ^ а б Arnaboldi, C .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2004 г.). «CUORE: криогенная подземная обсерватория редких событий». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 518 (3): 775–798. arXiv:hep-ex / 0212053. Bibcode:2004НИМПА.518..775А. Дои:10.1016 / j.nima.2003.07.067.
  2. ^ Боргино, Дарио (31 марта 2018 г.). ""CUORE "эксперимент направлен на то, чтобы добраться до сути вопроса - и антивещества". NewAtlas.com. Получено 1 апреля, 2018.
  3. ^ Бирон, Лорен (23 апреля 2015 г.). «Сильный холод и свинец кораблекрушения». Журнал Симметрия. Фермилаб / SLAC. Получено 19 февраля, 2016.
  4. ^ Редшоу, Мэтью; Mount, Brianna J .; Майерс, Эдмунд Дж .; Авиньон, Франк Т. (2009). "Масса 130Те и 130Xe и двойной β-распад Q Значение 130Те ". Письма с физическими проверками. 102 (21): 212502. arXiv:0902.2139. Bibcode:2009PhRvL.102u2502R. Дои:10.1103 / PhysRevLett.102.212502. PMID  19519099.
  5. ^ а б Шелтон, Джим (20 октября 2014 г.). «Системы Йельского университета - ключ к эксперименту с самым холодным кубометром». Йельские новости. Получено 10 февраля, 2015.
  6. ^ CUORE Сотрудничество. "Куоре - Учреждения". Получено 8 ноября, 2013.
  7. ^ Грин, Кейт (28 октября 2014 г.). «Создание самого холодного кубического метра во Вселенной». Центр новостей лаборатории Беркли. Получено 11 марта, 2015.
  8. ^ "CUORE: Самое холодное сердце в известной вселенной". Пресс-релиз INFN. Получено Двадцать первое октября, 2014.
  9. ^ Уэлле, Джонатан (15 октября 2014 г.). «Самый холодный кубический метр в известной Вселенной». arXiv:1410.1560 [Physics.ins-det ].
  10. ^ Arnaboldi, C .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2010). «Производство монокристаллов TeO2 высокой чистоты для исследования безнейтринного двойного бета-распада». Журнал роста кристаллов. 312 (20): 2999–3008. arXiv:1005.3686. Bibcode:2010JCrGr.312.2999A. Дои:10.1016 / j.jcrysgro.2010.06.034.
  11. ^ а б Беллини, Ф .; Bucci, C .; Capelli, S .; Cremonesi, O .; Gironi, L .; Мартинес, М .; Паван, М .; Tomei, C .; Виннати, М. (2010). «Оценка методом Монте-Карло внешних источников гамма-, нейтронного и мюонного фона в эксперименте CUORE». Физика астрономических частиц. 33 (3): 169–174. arXiv:0912.0452. Bibcode:2010APh .... 33..169B. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2010.01.004.
  12. ^ Andriotti, E .; и другие. (Сотрудничество CUORICINO) (2011). "130Безнейтринный двойной бета-распад с CUORICINO ». Физика астрономических частиц. 34 (11): 822–831. arXiv:1012.3266. Bibcode:2011APh .... 34..822A. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2011.02.002.
  13. ^ а б Arnaboldi, C .; и другие. (Сотрудничество CUORICINO) (2004). "Первые результаты по безнейтринному двойному бета-распаду 130Те с калориметрическим экспериментом CUORICINO ". Письма по физике B. 584 (3–4): 260–268. Bibcode:2004ФЛБ..584..260А. Дои:10.1016 / j.physletb.2004.01.040.
  14. ^ а б Artusa, D. R .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2014). «Первоначальное выполнение эксперимента CUORE-0». Европейский физический журнал C. 74 (8): 2956. arXiv:1402.0922. Bibcode:2014EPJC ... 74.2956A. Дои:10.1140 / epjc / s10052-014-2956-6.
  15. ^ Грин, Кейт (9 апреля 2015 г.). «Успешная демонстрация для эксперимента с ультрахолодным нейтрино». Получено 2015-04-10.
  16. ^ а б c Artusa, D. R .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2015). "В поисках безнейтринного двойного бета-распада 130Te с CUORE ". Достижения в физике высоких энергий. 2015: 1–13. arXiv:1402.6072. Дои:10.1155/2015/879871.
  17. ^ Носенго, Никола (15 апреля 2010 г.). «Римские слитки для защиты детектора частиц». Новости природы. Дои:10.1038 / новости.2010.186.
  18. ^ Лааш, Рикарда. "CUORE почти готов к первой заминке". Журнал Симметрия. Получено 6 сентября 2016.
  19. ^ Э. Андреотти; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2011). "130Безнейтринный двойной бета-распад с CUORICINO ». Физика астрономических частиц. 34 (11): 822–831. arXiv:1012.3266. Bibcode:2011APh .... 34..822A. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2011.02.002.
  20. ^ Alessandria, F .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2013). "Поиск солнечных аксионов 14,4 кэВ из перехода M1 57Fe с кристаллами CUORE ». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2013 (5): 007. arXiv:1209.2800. Bibcode:2013JCAP ... 05..007C. Дои:10.1088/1475-7516/2013/05/007.
  21. ^ Альфонсо, К .; и другие. (Сотрудничество CUORE) (2015). "Поиски безнейтринного двойного бета-распада Te 130 с помощью CUORE-0". Письма с физическими проверками. 115 (10): 102502. arXiv:1504.02454. Bibcode:2015PhRvL.115j2502A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.102502. PMID  26382673.
  22. ^ Alduino, C .; Alessandria, F .; Альфонсо, К .; Андреотти, Э .; Arnaboldi, C .; Avignone, F.T .; Azzolini, O .; Балата, М .; Bandac, I .; Бэнкс, Т. I .; Бари, G .; Barucci, M .; Биман, Дж. У .; Беллини, Ф .; Benato, G .; Bersani, A .; Biare, D .; Biassoni, M .; Брагацци, Ф .; Бранка, А .; Brofferio, C .; Bryant, A .; Buccheri, A .; Bucci, C .; Bulfon, C .; Камачо, А .; Caminata, A .; Canonica, L .; Cao, X. G .; и другие. (2018). «Первые результаты от CUORE: поиск нарушения лептонного числа через 0νββ-распад Te130». Письма с физическими проверками. 120 (13): 132501. arXiv:1710.07988. Дои:10.1103 / PhysRevLett.120.132501. HDL:1721.1/114731. PMID  29694201.
  23. ^ Группа интересов CUPID (2015). «CUPID: Обновление CUORE (Криогенная подземная обсерватория для редких событий) с идентификацией частиц». arXiv:1504.03599 [Physics.ins-det ].
  24. ^ Группа интересов CUPID (2015). «Исследования и разработки в направлении CUPID (обновление CUORE с идентификацией частиц)». arXiv:1504.03612 [Physics.ins-det ].
  25. ^ Canonica, L .; и другие. (2013). «Подавление поверхностного фона в тепловых детекторах: проект АБСуРД». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях A. 732: 286–289. Bibcode:2013NIMPA.732..286C. Дои:10.1016 / j.nima.2013.05.114.

внешние ссылки