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美国能源部核物理计划战略包括莱特实验室进行无中微子双β衰变实验

2022-02-11 18:54     来源:yale.edu     美国能源部 核物理 辐射热探测器 中微子核物理美国

美国能源部 (DOE) 的核物理计划正在实施一项国际战略,以资助三吨级实验——CUPID、nEXO 和 LEGEND-1000——这些实验的灵敏度足以搜索无中子双β衰变(0νβ)的证据。Wright 实验室的研究人员,包括耶鲁大学物理学教授 Karsten Heeger 和 Reina Maruyama,以及助理教授 David Moore,参与领导和建立三个实验中的两个,这些实验将定义 0νββ 努力的未来——CUPID(Heeger 和 Maruyama)和 nEXO。

Wright Lab 的研究生 Samantha Pagan 研究 μon 否决系统标记器。艾丽丝·庞塞 (Iris Ponce) 摄。

用无中子的双β衰变寻找新物理学

被广泛接受的粒子物理学“标准模型”在物质和反物质之间具有对称性——每当物质粒子在实验室中被创造出来时,也会有同等数量的反物质粒子被创造。然而,观察表明,宇宙是由物质而非反物质构成的,因此早期宇宙中的某些过程肯定违反了这种对称性。中微子是一种神秘的、幽灵般的粒子,它可以穿过宇宙中的大多数物质而没有受到影响,但仍然具有质量,它可能是这个谜团的核心。

莱特实验室的研究人员正在领导和建立各种实验,以了解更多关于中微子的信息。其中,CUPID 和 nEXO 正在专门寻找无中微子的双β衰变,这是一个尚未被观测到的核过程,将表明超越粒子物理学标准模型的新物理学。

检测无中微子双β衰变将揭示中微子是否是它自己的反粒子,并证明中微子是所谓的majorana粒子。这将对理解中微子的性质、中微子如何获得它们的质量以及在早期宇宙中如何产生超过反物质的少量物质产生影响。

Heeger 说:“对无中微子的双β衰变的观察将是一个明确的迹象,表明中微子是它们自己的反粒子,并表明超出标准模型的新物理学”。

如果中微子被发现是一个majorana 粒子,标准模型的轻子数守恒原理将被违反,并且可以解释宇宙中观察到的物质/反物质不对称性。

“发现任何打破粒子相互作用对称性的东西是令人兴奋的。”

下一代双β衰变实验

美国能源部倡议中的三个实验中的每一个都通过研究从一种元素到另一种元素的衰变来寻找无中微子双β衰变,但每个实验都在研究不同的同位素:CUPID利用钼(Mo-100),nEXO利用氙(Xe- 136),LEGEND-1000 使用锗 (Ge-76)。CUPID 的前身,称为CUORE,正在碲 (Te-130) 中寻找 0νββ。

Moore说:“自2015 年核科学咨询委员会 (NSAC) 报告以来,能源部一直很支持采用多同位素方法,用不同的探测器技术和不同的同位素搜索无中子的双β衰变"。他继续说道,“寻找半衰期衰减很困难,并且通过多种方式寻找可以降低风险。如果我们确实在不同的探测器中看到它,我们可以更确定我们看到的是我们正在寻找的信号,即使我们在 10 年内只看到几个候选衰变。”

CUORE 升级与粒子识别 (CUPID)

CUPID 是对稀有事件低温地下实验室 (CUORE) 的升级,这是最大的操作辐射热实验,位于意大利阿塞尔吉的格兰萨索国家实验室 (LNGS)。

CUPID 利用了 CUORE 多年来在 LNGS 建立的基础设施和低温恒温器,以及 CUORE 的探测器技术,该技术已显示出搜索无中微子双β衰变的出色能力。最初的 CUORE 实验检测核衰变或粒子相互作用产生的能量沉积产生的热量(声子)。CUPID 将通过使用闪烁晶体来升级 CUORE 的辐射热探测器,以便 CUPID 可以额外探测光(光子)和热。这一新增功能将提高CUPID对非常罕见的信号的背景判别能力。

CUPID 的辐射热计技术还可以灵活地研究多种不同的同位素。CUORE 实验使用碲,CUPID 将使用钼,但如果其他人对寻找无中微子双β衰变感兴趣,则可以使用相同的技术和基础设施来观察其他同位素。

莱特实验室的 CUPID

Maruyama 于 2004 年加入 CUORE,Heeger 于 2006 年加入。Wright Lab 团队负责 CUORE 探测器校准系统的设计、建造和调试;CUORE数据的分析和模拟;和合作的领导。他们在 CUPID 中的努力建立在与 CUORE 多年的经验之上。目前,Heeger 和 Maruyama 是首席研究员,Heeger 是 CUPID 的科学联合发言人。

Maruyama 与伯克利和麻省理工学院的合作者一起负责协调开发热探测器的工作,称为中子嬗变掺杂 (NTD) 热敏电阻,用于读出辐射热计。NTD热敏电阻是通过将锗晶片用于核反应堆制成的。反应堆中产生的中子激发锗同位素并将其转化为镓和砷。由此产生的掺有镓和砷的锗可用于将芯片变成半导体,该半导体可以检测 CUPID 探测器晶体中产生的振动/声子的数量,并测量晶体温度的变化,即实验正在寻找的主要信号。

莱特实验室的研究生 Ridge Liu 正在研究 NTD 热敏电阻,并正在研究振动数据以表征热敏电阻的性能,并确保实验具有最佳的能量分辨率。

Wright Lab 还在为 CUPID 构建μ子否决系统,并负责探测器的校准以及声学和振动监测。宇宙射线诱导的 μ 子被地下实验室周围的山脉所屏蔽,但有些确实可以通过。当他们这样做时,他们可以储存可能与无中微子双β衰变事件混淆的能量。在主探测器周围放置了一层额外的μ子标记,以进一步减少这种背景。

研究生 Samantha Pagan 和 Iris Ponce 都在从事 μ 子标记器的研发 (R&D)。Pagan 正在开发嵌有移频光纤的物理塑料闪烁体面板,而 Ponce 正在研究数据采集系统和光收集模拟。

参与 CUPID 的 Heeger-Maruyama 实验室的其他成员是研究科学家 James Nikkel;副研究员 Tom Langford 和 Penny Slocum;研究支持专家 James Wilhelmi;和博士后合伙人 Pranava Teja Surukuchi 和 Jorge Torres。

nEXO

nEXO将是一个大型探测器,在辐射纯时间投影室 (TPC) 中使用 5 吨液态氙 (136Xe),目前计划安装在安大略省萨德伯里的 SNOLAB 地下。它是 EXO-200 实验的继任者,该实验是新墨西哥州卡尔斯巴德废物分离试验工厂 (WIPP) 的 200 公斤原型,证明了液态惰性气体技术在寻找无中微子双β衰变方面的潜在有效性,并为此过程设置了迄今为止最严格的一些限制。

由于 nEXO 的大尺寸和同质性,来自探测器外部的背景将无法到达其中心,其中极低的背景率将允许 nEXO 看到衰变的证据,即使它的半衰期长达 1028 年,使得探测器对无中微子的双β衰变信号比 EXO 和其他现有实验更敏感。

莱特实验室的 nEXO

Moore 是 nEXO 光子探测器的子系统科学家,Wright 实验室小组的主要职责是为 nEXO 的大型(4.5 平方米)超低背景硅光电倍增器光电传感器构建光子探测器,该传感器可感应氙气发出的光. 莱特实验室小组正在与布鲁克海文国家实验室的科学家密切合作,最终的光电探测器系统将在那里组装和测试。

Moore 小组还对 nEXO 进行了模拟,并在 Wright 实验室对大型液态氙探测器的新读出技术进行了实验室测试。博士后助理 Avinay Bhat 正在测试硅光电倍增管,而研究生 Ako Jamil 正在模拟光传输和能量。研究生 Sierra Wilde 和 Glenn Richardson 正在研究 nEXO 模拟中的光和电荷收集以及硅光电倍增管的测量以及液态氙中的电荷传输。

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