隸屬于美國能源部勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)的核物理學(xué)家在分析演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)方面發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用，該演示實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)了專用探測(cè)器材料的記錄精度。

CUPID-Mo實(shí)驗(yàn)屬于實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，該實(shí)驗(yàn)使用多種方法來檢測(cè)稱為中微子雙β衰變的理論粒子過程，這可能會(huì)改變我們對(duì)稱為中微子的鬼粒子及其在形成過程中的作用的理解。宇宙

CUPID-Mo實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果基于伯克利實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)主導(dǎo)的對(duì)2019年3月至2020年4月收集的數(shù)據(jù)的分析，為被稱為鉬同位素的無中微子雙β衰變過程設(shè)定了新的世界領(lǐng)先的極限Mo-100。同位素是一種元素的形式，在其原子核中攜帶不同數(shù)量的不帶電粒子，稱為中子。

新的結(jié)果將Mo-100中無中微子雙β衰變半衰期的極限設(shè)置為萬億年的1.4倍(即14后面是23個(gè)零)，這比中微子Ettore Majorana的靈敏度提高了30%天文臺(tái)3號(hào)(NEMO 3)是先前的實(shí)驗(yàn)，于2003年至2011年在同一地點(diǎn)進(jìn)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費(fèi)的時(shí)間。

理論上，無中微子雙β衰變過程非常緩慢且罕見，經(jīng)過一年的數(shù)據(jù)采集后，在CUPID-Mo中未檢測(cè)到單個(gè)事件。

雖然兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都在其探測(cè)器陣列中使用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產(chǎn)生閃光的晶體形式。

使用已報(bào)道的CUPID-Mo的早期成功為使用CUPID計(jì)劃的后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，這種大型實(shí)驗(yàn)使用了不同的探測(cè)器材料并可以長時(shí)間運(yùn)行，從而獲得了更高的靈敏度。

伯克利實(shí)驗(yàn)室對(duì)CUPID-Mo的貢獻(xiàn)

尚無實(shí)驗(yàn)證實(shí)無中微子過程是否存在。該過程的存在將證實(shí)中微子充當(dāng)其自身的反粒子，而這種證明也將有助于解釋為什么物質(zhì)在我們的宇宙中勝過反物質(zhì)。

來自CUPID-Mo實(shí)驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)(CUPID的首字母縮寫代表具有顆粒識(shí)別的CUORE升級(jí)，“ Mo”代表檢測(cè)器晶體中包含的鉬)是從法國的Modane地下實(shí)驗(yàn)室(Laboratoire souterrain de Modane)傳輸?shù)脑诓死麑?shí)驗(yàn)室國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的Cori超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

伯克利實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)處的博士后研究員本杰明·施密特(Benjamin Schmidt)領(lǐng)導(dǎo)了CUPID-Mo結(jié)果的整體數(shù)據(jù)分析工作，并得到了伯克利實(shí)驗(yàn)室附屬研究人員團(tuán)隊(duì)和國際合作其他成員的支持。

伯克利實(shí)驗(yàn)室還貢獻(xiàn)了40個(gè)傳感器，這些傳感器能夠讀取CUPID-Mo的20晶體檢測(cè)器陣列采集的信號(hào)。將該陣列過冷至約0.02開爾文，即華氏460度，以保持其靈敏度。它的圓柱狀晶體包含鋰，氧和Mo-100同位素，并在粒子相互作用中產(chǎn)生微小的閃光。

施密特說，鑒于全球大流行的背景已經(jīng)使該實(shí)驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)生了不確定性，國際上為產(chǎn)生CUPID-Mo結(jié)果所做的努力非常出色。

他說：“由于3月初歐洲爆發(fā)COVID-19，以及為實(shí)驗(yàn)提供所需的低溫液體帶來的相關(guān)困難，我們似乎不得不過早關(guān)閉CUPID-Mo實(shí)驗(yàn)。” 。

他補(bǔ)充說：“盡管存在不確定性以及與關(guān)閉辦公場(chǎng)所和學(xué)校有關(guān)的變化，以及進(jìn)入地下實(shí)驗(yàn)室的限制，我們的合作者仍竭盡全力使實(shí)驗(yàn)在大流行中繼續(xù)進(jìn)行。”

施密特對(duì)數(shù)據(jù)分析小組的努力表示贊賞，他領(lǐng)導(dǎo)該小組尋找了一種在家工作的方法，并及時(shí)產(chǎn)生了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以在Neutrino 2020(由Fermi National主辦的虛擬中微子物理學(xué)和天體物理國際會(huì)議)上展示。加速器實(shí)驗(yàn)室。CUPID-Mo合作的成員正計(jì)劃將結(jié)果提交發(fā)表在同行評(píng)審的科學(xué)期刊上。

調(diào)整超靈敏探測(cè)器

施密特說，數(shù)據(jù)分析中的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是確保對(duì)探測(cè)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，以記錄“極難捉摸的事件集”，這些事件預(yù)計(jì)與無微雙雙β衰變信號(hào)有關(guān)。

無微子衰變過程有望在CUPID-Mo檢測(cè)器中產(chǎn)生非常高能量的信號(hào)并產(chǎn)生閃光。由于該信號(hào)具有如此高的能量，因此有望不受自然放射源的干擾。

為了測(cè)試CUPID-Mo對(duì)高能信號(hào)的響應(yīng)，研究人員在探測(cè)器陣列附近放置了其他高能信號(hào)源，包括Tl-208(th的放射性同位素)。由這種同位素的衰變產(chǎn)生的信號(hào)具有很高的能量，但不如Mo-100中存在無中微子衰變過程的能量高。

施密特說：“因此，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)就是說服自己，我們可以用通用信號(hào)源，特別是Tl-208來校準(zhǔn)我們的探測(cè)器，然后將探測(cè)器對(duì)我們信號(hào)區(qū)域的響應(yīng)外推，并適當(dāng)?shù)卣f明這種外推法的不確定性。 ”。

為了進(jìn)一步改善對(duì)高能信號(hào)的校準(zhǔn)，核物理學(xué)家在上個(gè)月重新打開回旋加速器后，就使用伯克利實(shí)驗(yàn)室的88英寸回旋加速器生產(chǎn)了含有Co-56(一種低放射性的鈷同位素)的金屬絲。在因應(yīng)COVID-19大流行而暫時(shí)關(guān)閉之后。焊絲已運(yùn)至法國，以使用CUPID-Mo檢測(cè)器陣列進(jìn)行測(cè)試。

為意大利的下一代實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備

盡管CUPID-Mo現(xiàn)在可能會(huì)落后于其他一些實(shí)驗(yàn)(使用不同的檢測(cè)器技術(shù)和材料)所獲得的測(cè)量靈敏度，但由于它較小且尚未收集到足夠的數(shù)據(jù)，“通過完整的CUPID實(shí)驗(yàn)， Mo-100的使用量大約是Mo-100的100倍，并且經(jīng)過10年的運(yùn)行，我們有極好的搜索前景，并有可能發(fā)現(xiàn)無中微子的雙beta衰變，”施密特說。

CUPID-Mo安裝在Edelweiss III暗物質(zhì)搜索實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)，位于法國邊境附近一英里深的法國隧道中，并使用了一些Edelweiss III組件。同時(shí)，有人提議使用CUPID代替意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)的CUORE中微子雙β衰變搜索實(shí)驗(yàn)。盡管CUPID-Mo僅包含20個(gè)檢測(cè)器晶體，但CUPID將包含1,500多個(gè)。

“ CUORE在兩到三年內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集后，CUPID檢測(cè)器可能需要四到五年的時(shí)間來構(gòu)建，” CUORE合作的美國發(fā)言人，伯克利實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)教職科學(xué)家Yury Kolomensky說，該科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)CUORE在美國的合作。“就成本和技術(shù)挑戰(zhàn)而言，CUPID升級(jí)是相對(duì)適度的，但在敏感性方面將是重大改進(jìn)。”

CUPID-Mo的物理數(shù)據(jù)采集于6月22日結(jié)束，最新結(jié)果中未考慮的新數(shù)據(jù)表示總體數(shù)據(jù)增長了20%到30%。CUPID-Mo得到了一組法國實(shí)驗(yàn)室以及美國，烏克蘭，俄羅斯，意大利，中國和德國的實(shí)驗(yàn)室的支持。

NERSC是DOE科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

CUPID-Mo的合作匯集了來自27個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員，其中包括位于奧賽的法國實(shí)驗(yàn)室Irfu / CEA和IJCLab;里昂IP2I;格勒諾布爾的Néel和SIMaP研究所，以及美國，烏克蘭，俄羅斯，意大利，中國和德國的機(jī)構(gòu)。

該實(shí)驗(yàn)得到了美國能源部科學(xué)技術(shù)辦公室核物理辦公室，伯克利研究計(jì)算計(jì)劃，國家安全研究實(shí)驗(yàn)室，IDEATE國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(LIA)，俄羅斯科學(xué)基金會(huì)，烏克蘭國家科學(xué)院，國家科學(xué)的支持。基金會(huì)，法國伯克利基金會(huì)，法國MISTI基金會(huì)以及法國駐美國大使館科學(xué)技術(shù)辦公室