科学家在寻找理论化的无中微子过程中展示了一项新实验

隶属于美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的核物理学家在分析演示实验的数据方面发挥了领导作用，该演示实验已实现了专用探测器材料的记录精度。

CUPID-Mo实验属于实验领域，该实验使用多种方法来检测称为中微子双β衰变的理论粒子过程，这可能会改变我们对称为中微子的鬼粒子及其在形成过程中的作用的理解。宇宙

CUPID-Mo实验的初步结果基于伯克利实验室(Berkeley Lab)主导的对2019年3月至2020年4月收集的数据的分析，为被称为钼同位素的无中微子双β衰变过程设定了新的世界领先的极限Mo-100。同位素是一种元素的形式，在其原子核中携带不同数量的不带电粒子，称为中子。

新的结果将Mo-100中无中微子双β衰变半衰期的极限设置为万亿年的1.4倍(即14后面是23个零)，这比中微子Ettore Majorana的灵敏度提高了30%天文台3号(NEMO 3)是先前的实验，于2003年至2011年在同一地点进行，并使用了Mo-100。半衰期是放射性同位素消耗掉一半放射性所花费的时间。

理论上，无中微子双β衰变过程非常缓慢且罕见，经过一年的数据采集后，在CUPID-Mo中未检测到单个事件。

虽然两个实验都在其探测器阵列中使用Mo-100，但NEMO 3使用了同位素的箔形式，而CUPID-Mo使用了在某些粒子相互作用中产生闪光的晶体形式。

使用已报道的CUPID-Mo的早期成功为使用CUPID计划的后续实验奠定了基础，这种大型实验使用了不同的探测器材料并可以长时间运行，从而获得了更高的灵敏度。

伯克利实验室对CUPID-Mo的贡献

尚无实验证实无中微子过程是否存在。该过程的存在将证实中微子充当其自身的反粒子，而这种证明也将有助于解释为什么物质在我们的宇宙中胜过反物质。

来自CUPID-Mo实验的所有数据(CUPID的首字母缩写代表具有颗粒识别的CUORE升级，“ Mo”代表检测器晶体中包含的钼)是从法国的Modane地下实验室(Laboratoire souterrain de Modane)传输的在伯克利实验室国家能源研究科学计算中心的Cori超级计算机上运行。

伯克利实验室核科学处的博士后研究员本杰明·施密特(Benjamin Schmidt)领导了CUPID-Mo结果的整体数据分析工作，并得到了伯克利实验室附属研究人员团队和国际合作其他成员的支持。

伯克利实验室还贡献了40个传感器，这些传感器能够读取CUPID-Mo的20晶体检测器阵列采集的信号。将该阵列过冷至约0.02开尔文，即华氏460度，以保持其灵敏度。它的圆柱状晶体包含锂，氧和Mo-100同位素，并在粒子相互作用中产生微小的闪光。

施密特说，鉴于全球大流行的背景已经使该实验的持续进行产生了不确定性，国际上为产生CUPID-Mo结果所做的努力非常出色。

他说：“由于3月初欧洲爆发COVID-19，以及为实验提供所需的低温液体带来的相关困难，我们似乎不得不过早关闭CUPID-Mo实验。” 。

他补充说：“尽管存在不确定性以及与关闭办公场所和学校有关的变化，以及进入地下实验室的限制，我们的合作者仍竭尽全力使实验在大流行中继续进行。”

施密特对数据分析小组的努力表示赞赏，他领导该小组寻找了一种在家工作的方法，并及时产生了实验结果，以在Neutrino 2020(由Fermi National主办的虚拟中微子物理学和天体物理国际会议)上展示。加速器实验室。CUPID-Mo合作的成员正计划将结果提交发表在同行评审的科学期刊上。

调整超灵敏探测器

施密特说，数据分析中的一个特殊挑战是确保对探测器进行适当的校准，以记录“极难捉摸的事件集”，这些事件预计与无微双双β衰变信号有关。

无微子衰变过程有望在CUPID-Mo检测器中产生非常高能量的信号并产生闪光。由于该信号具有如此高的能量，因此有望不受自然放射源的干扰。

为了测试CUPID-Mo对高能信号的响应，研究人员在探测器阵列附近放置了其他高能信号源，包括Tl-208(th的放射性同位素)。由这种同位素的衰变产生的信号具有很高的能量，但不如Mo-100中存在无中微子衰变过程的能量高。

施密特说：“因此，一个巨大的挑战就是说服自己，我们可以用通用信号源，特别是Tl-208来校准我们的探测器，然后将探测器对我们信号区域的响应外推，并适当地说明这种外推法的不确定性。 ”。

为了进一步改善对高能信号的校准，核物理学家在上个月重新打开回旋加速器后，就使用伯克利实验室的88英寸回旋加速器生产了含有Co-56(一种低放射性的钴同位素)的金属丝。在因应COVID-19大流行而暂时关闭之后。焊丝已运至法国，以使用CUPID-Mo检测器阵列进行测试。

为意大利的下一代实验做准备

尽管CUPID-Mo现在可能会落后于其他一些实验(使用不同的检测器技术和材料)所获得的测量灵敏度，但由于它较小且尚未收集到足够的数据，“通过完整的CUPID实验， Mo-100的使用量大约是Mo-100的100倍，并且经过10年的运行，我们有极好的搜索前景，并有可能发现无中微子的双beta衰变，”施密特说。

CUPID-Mo安装在Edelweiss III暗物质搜索实验的现场，位于法国边境附近一英里深的法国隧道中，并使用了一些Edelweiss III组件。同时，有人提议使用CUPID代替意大利格兰萨索国家实验室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)的CUORE中微子双β衰变搜索实验。尽管CUPID-Mo仅包含20个检测器晶体，但CUPID将包含1,500多个。

“ CUORE在两到三年内完成数据采集后，CUPID检测器可能需要四到五年的时间来构建，” CUORE合作的美国发言人，伯克利实验室的高级教职科学家Yury Kolomensky说，该科学家领导CUORE在美国的合作。“就成本和技术挑战而言，CUPID升级是相对适度的，但在敏感性方面将是重大改进。”

CUPID-Mo的物理数据采集于6月22日结束，最新结果中未考虑的新数据表示总体数据增长了20%到30%。CUPID-Mo得到了一组法国实验室以及美国，乌克兰，俄罗斯，意大利，中国和德国的实验室的支持。

NERSC是DOE科学办公室的用户设施。

CUPID-Mo的合作汇集了来自27个机构的研究人员，其中包括位于奥赛的法国实验室Irfu / CEA和IJCLab;里昂IP2I;格勒诺布尔的Néel和SIMaP研究所，以及美国，乌克兰，俄罗斯，意大利，中国和德国的机构。

该实验得到了美国能源部科学技术办公室核物理办公室，伯克利研究计算计划，国家安全研究实验室，IDEATE国际联合实验室(LIA)，俄罗斯科学基金会，乌克兰国家科学院，国家科学的支持。基金会，法国伯克利基金会，法国MISTI基金会以及法国驻美国大使馆科学技术办公室

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