Обсерватория обогащенного ксенона - Enriched Xenon Observatory

Координаты: 32 ° 22′18 ″ с.ш. 103 ° 47′37 ″ з.д. / 32,37167 ° с.ш.103,79361 ° з.д. / 32.37167; -103.79361

В Обсерватория обогащенного ксенона (EXO) это эксперимент по физике элементарных частиц по поиску безнейтринных двойной бета-распад из ксенон -136 при WIPP недалеко от Карлсбад, Нью-Мексико, США

Без нейтрино двойной бета-распад (0νββ) доказывает Майорана природа нейтрино и влияние масса нейтрино значения и порядок. Это важные открытые темы в физика элементарных частиц.

У EXO сейчас 200-килограммовая ксеноновая жидкость камера времени проекции (EXO-200) с усилиями НИОКР по эксперименту в тонном масштабе (NEXO). Ксенон был обнаружен двойной бета-распад и установлены пределы для 0νββ.

Обзор

EXO измеряет скорость событий безнейтринных распадов выше ожидаемой. фон подобных сигналов, чтобы найти или ограничить период полураспада двойного бета-распада, который связан с эффективной массой нейтрино с использованием ядерных матричных элементов. Предел эффективной массы нейтрино ниже 0,01 эВ определит порядок массы нейтрино. Эффективная масса нейтрино зависит от самой легкой массы нейтрино таким образом, что эта граница указывает на нормальную иерархию масс.[1]

Ожидаемая частота событий 0νββ очень мала, поэтому фоновое излучение представляет собой серьезную проблему. WIPP имеет 650 метров (2130 футов) скальной породы, что эквивалентно 1600 метрам (5200 футов) воды, для защиты от входящих космических лучей. Свинцовый экран и криостат также защищают установку. Безнейтринные распады выглядели бы как узкий всплеск в энергетическом спектре вокруг ксенона. Q-значение (Qββ = 2457,8 кэВ), что довольно высоко и превышает большинство гамма-распадов.

EXO-200

История

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

Дизайн

В прототипе EXO-200 используется медный цилиндрический камера времени проекции заполненный 150 килограммами (331 фунтом) чистого жидкого ксенона. Ксенон - это сцинтиллятор, поэтому частицы распада производят мгновенный свет, который обнаруживается лавинные фотодиоды с указанием времени события. Большое электрическое поле перемещает 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 в WIPP.

Полученные результаты

Фон от радиоактивности Земли (Th / U) и 137Загрязнение Xe привело к ≈2 × 10−3 отсчетов / (кэВ · кг · год) в детекторе. Энергетическое разрешение около Qββ 1,53%.[4]

В августе 2011 года EXO-200 был первым экспериментом по наблюдению двойного бета-распада 136Xe, с период полураспада 2,11 × 1021 годы.[5] Это самый медленный процесс, наблюдаемый непосредственно. Улучшенный период полураспада 2,165 ± 0,016 (стат) ± 0,059 (сис) × 1021 лет был опубликован в 2014 году.[6] EXO установили ограничение на безнейтринный бета-распад 1,6 × 1025 лет в 2012 году.[7] Пересмотренный анализ данных прогона 2 с воздействием 100 кг · год, опубликованный в июньском выпуске журнала Природа снижен предел полураспада до 1,1 × 1025 год, а масса до 450 мэВ.[4] Это было использовано для подтверждения мощности проекта и подтверждения предлагаемого расширения.

Ожидается дополнительный запуск в течение двух лет.

По состоянию на 2018 год EXO-200 выполнил две научные операции: Фаза I (2011-2014 гг.) И после модернизации, Фаза II (запланировано на 2016 г. - конец декабря 2018 г.). Никаких доказательств безнейтринного двойного бета-распада не было обнаружено в объединенных данных фазы I и II, что дает нижнюю границу лет на период полураспада. Фаза II станет последней операцией EXO-200.

NEXO

Эксперимент в масштабе тонны, nEXO («следующий EXO»), должен преодолеть многие предпосылки. Коллаборация 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 останутся. Требование наличия иона бария в месте проведения мероприятия устраняет все фоны. Было продемонстрировано мечение одного иона бария, и был достигнут прогресс в способе извлечения ионов из жидкого ксенона. Был продемонстрирован метод замораживания зонда, а также разрабатывается газовая маркировка.[8]

В документе EXO-200 2014 года указано, что TPC массой 5000 кг может улучшить фон за счет самозащиты ксенона и лучшей электроники. Диаметр будет увеличен до 130 см и добавлен резервуар для воды в качестве защиты и мюонного вето. Это намного больше, чем длина затухания для гамма-лучей. Радиочистая медь для nEXO завершена. Планируется к установке в СНОЛАБ «Криопит».[9]:17[10]:7

В статье от октября 2017 года подробно описан эксперимент и обсуждается чувствительность и потенциал обнаружения nEXO для безнейтринного двойного бета-распада.[11]Подробная информация об ионизационном считывании TPC также была опубликована.[12]

Отчет о предварительном концептуальном проектировании (pCDR) для nEXO был опубликован в 2018 году. Планируемое местоположение: СНОЛАБ, Канада.

Рекомендации

  1. ^ См. P. Vogel, A. Piepke (2007). "Безнейтринный двойной бета-распад ", в W.-M. Яо и другие. (Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц». Журнал физики G. 33 (1): 1–1232. arXiv:Astro-ph / 0601168. Bibcode:2006JPhG ... 33 .... 1л. Дои:10.1088/0954-3899/33/1/001.
  2. ^ Д. Леонард (2008). «Систематическое исследование следовых радиоактивных примесей в строительных материалах-кандидатах для EXO-200». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях Секция А. 591 (3): 490–509. arXiv:0709.4524. Bibcode:2008NIMPA.591..490L. Дои:10.1016 / j.nima.2008.03.001.
  3. ^ «Оборудование проекта EXO успешно размещено под землей в WIPP» (PDF) (Пресс-релиз). DOENews. 24 июля 2007 г.
  4. ^ а б Albert, J. B .; Auty, D. J .; Barbeau, P. S .; Beauchamp, E .; Beck, D .; Белов, В .; Benitez-Medina, C .; Bonatt, J .; Breidenbach, M .; Brunner, T .; Буренков, А .; Цао, Г. Ф .; Chambers, C .; Chaves, J .; Кливленд, Б. Кун, М .; Craycraft, A .; Daniels, T .; Данилов, М .; Догерти, С. Дж .; Davis, C.G .; Дэвис, Дж .; Devoe, R .; Delaquis, S .; Дидберидзе, Т .; Долголенко, А .; Долински, М. Дж .; Dunford, M .; Fairbank Jr, W .; и другие. (12 июня 2014 г.). «Поиск нейтрино Майораны с данными первых двух лет EXO-200». Природа. 510 (7504): 229–234. arXiv:1402.6956. Bibcode:2014Натура.510..229Т. Дои:10.1038 / природа13432. PMID  24896189.
  5. ^ Н. Акерман; и другие. (2011). "Наблюдение двойного бета-распада двух нейтрино в 136Xe с EXO-200 ». Письма с физическими проверками. 107 (21): 212501. arXiv:1108.4193. Bibcode:2011PhRvL.107u2501A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.212501. PMID  22181874.
  6. ^ Albert, J. B .; Auger, M .; Auty, D. J .; Barbeau, P. S .; Beauchamp, E .; Beck, D .; Белов, В .; Benitez-Medina, C .; Bonatt, J .; Breidenbach, M .; Brunner, T .; Буренков, А .; Цао, Г. Ф .; Chambers, C .; Chaves, J .; Кливленд, Б. Повара.; Craycraft, A .; Daniels, T .; Данилов, М .; Догерти, С. Дж .; Davis, C.G .; Дэвис, Дж .; Devoe, R .; Delaquis, S .; Доби, А .; Долголенко, А .; Долински, М. Дж .; Dunford, M .; и другие. (2014). «Улучшенное измерение периода полужизни 2νββ Xe-136 с EXO-200». Phys. Ред. C. 89 (1): 015502. arXiv:1306.6106. Bibcode:2014PhRvC..89a5502A. Дои:10.1103 / PhysRevC.89.015502.
  7. ^ M. Auger; и другие. (2012). "Поиск безнейтринного двойного бета-распада в 136Xe с EXO-200 ». Письма с физическими проверками. 109 (3): 032505. arXiv:1205.5608. Bibcode:2012PhRvL.109c2505A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.109.032505. PMID  22861843.
  8. ^ П. Фирлингер; и другие. (2008). «Микро-сенсор для тонких диэлектрических слоев». Обзор научных инструментов. 79 (4): 045101–045101–7. arXiv:0706.0540. Bibcode:2008RScI ... 79d5101F. Дои:10.1063/1.2906402. PMID  18447546.
  9. ^ Ян, Лян (8 июля 2016 г.). Состояние и перспективы экспериментов EXO-200 и nEXO (PDF). XXVII Международная конференция по физике нейтрино и астрофизике (презентация). Лондон. Видео доступно на Конференция Neutrino 2016 - пятница (часть 1) на YouTube.
  10. ^ Маклеллан, Райан (25 сентября 2017 г.). nEXO: эксперимент с двойным бета-распадом нового поколения в тоннах. XV Международная конференция по темам астрономических частиц и подземной физики (TAUP 2017) (презентация). Садбери, Канада.
  11. ^ Albert, J. B .; и другие. (Сотрудничество nEXO) (2018). «Чувствительность и потенциал открытия nEXO к безнейтринному двойному бета-распаду». Физический обзор C. 97 (6): 065503. arXiv:1710.05075. Bibcode:2018PhRvC..97f5503A. Дои:10.1103 / PhysRevC.97.065503. LLNL-JRNL-737682
  12. ^ Jewell, M .; и другие. (Сотрудничество nEXO) (14 октября 2017 г.). "Характеристика тайла считывания ионизации для nEXO". Журнал приборостроения. 13: P01006. arXiv:1710.05109. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 13/01 / P01006.

внешняя ссылка