농축 제논 천문대

Enriched Xenon Observatory

좌표:32°22°18°N 103°47′37″w/32.37167°N 103.79361°W/ 32.37167; -180.79361

농축 제논 천문대(EXO)는 미국 뉴멕시코주 칼스배드 인근의 WIPP에서 제논-136의 중성미자 이중 베타 붕괴를 찾는 입자 물리학 실험입니다.

중성미자 이중 베타 붕괴(0µβ) 검출은 중성미자의 마요라나 특성을 증명하고 중성미자 질량 값과 순서에 영향을 미칠 것이다.이것들은 소립자 물리학에서 중요한 열린 주제들이다.

엑소는 현재 200kg 규모의 크세논 액체시간투영챔버(EXO-200)를 갖추고 있으며, 이를 위해 t 규모의 실험(nEXO)을 연구개발하고 있다.제논 이중 베타 붕괴가 감지되었으며 0µββ에 대한 한계가 설정되었습니다.

개요

EXO는 핵 매트릭스 요소를 사용하여 유효 중성미자 질량과 관련된 이중 베타 붕괴 반감기를 찾거나 제한하기 위해 유사한 신호의 예상 배경보다 중성미자 붕괴 이벤트의 비율을 측정한다.0.01 eV 미만의 유효 중성미자 질량에 대한 한계는 중성미자 질량을 결정한다.유효 중성미자 질량은 가장 가벼운 중성미자 질량에 의존하며 그 경계가 정상 질량 계층을 [1]나타낸다.

0µβ 이벤트의 예상 속도는 매우 낮기 때문에 백그라운드 방사선이 중요한 문제이다.WIPP에는 들어오는 우주선을 차단하기 위해 650m(2,130ft)의 암석 오버부하가 있으며, 이는 1,600m(5,200ft)의 물과 같다.납 차폐와 크라이오스타트도 셋업을 보호합니다.중성미자 붕괴는 크세논 Q 값(Qββ =2457.8 keV) 주변의 에너지 스펙트럼에서 좁은 스파이크로 나타나며, 이는 상당히 높고 대부분의 감마 붕괴보다 높다.

EXO-200

역사

EXO-200은 예상 붕괴 에너지의 표준 편차 2회 이내에서 연간 40회 미만을 목표로 설계되었다.이러한 배경은 모든 방사성 물질을 선택하고 선별함으로써 달성되었다.원래 이 선박은 Teflon으로 만들어질 예정이었지만 최종 설계에서는 얇은 초순도 [2]구리를 사용합니다.EXO-200은 2007년 [3]여름 스탠포드에서 WIPP로 이전되었습니다.조립 및 시운전 작업은 2009년 말까지 계속되었으며 데이터는 2011년 5월부터 수집되었습니다.보정은 Th, Cs, Co 감마 선원을 사용하여 수행되었다.

설계.

시제품 EXO-200은 150kg(331lb)의 순수 액체 크세논이 채워진 구리 원통형 시간 투영 챔버를 사용합니다.제논은 섬광기이기 때문에 붕괴 입자는 눈사태 포토다이오드에 의해 감지되는 즉각적인 빛을 생성해 이벤트 시간을 제공한다.큰 전계는 이온화 전자를 집전용 와이어로 구동한다.조명과 첫 번째 수집 사이의 시간에 따라 이벤트의 z 좌표가 결정되며, 와이어 그리드는 반지름 및 각도 좌표를 결정합니다.

  • The EXO-200 cryostat installed underground at WIPP.

    WIPP 지하에 설치된 EXO-200 크라이오스타트.

  • The EXO-200 cleanrooms installed underground at WIPP.

    WIPP 지하에 설치된 EXO-200 클린룸.

결과.

지구 방사능(Th/U)과 Xe 오염에 따른 배경은 검출기에서 22×10−3 counts/(keV·kg·yr)로 이어졌다.Q 부근의ββ 에너지 분해능은 1.53%에 [4]달했습니다.

2011년 8월, EXO-200은 Xe의 반감기가21 2.11×[5]10년인 이중 베타 붕괴를 최초로 관찰한 실험이었다.이것은 직접 관찰되는 프로세스 중 가장 느립니다.2014년에는 2.[6]165 ±0.016(stat) ±0.059(sys) × 10년의21 개선된 반감기가 발표되었다.엑소는 2012년 [7]중성미자 베타 붕괴를 1.6×10년으로25 제한했다.네이처 6월호에 발표된 100kg·yr 노출의 run 2 데이터를 수정 분석한 결과 반감기의 한계는 1.1×10년25, 질량은 450meV로 [4]감소했습니다.이는 설계의 힘을 확인하고 제안된 확장을 검증하기 위해 사용되었습니다.

2년 동안 달리기를 더 했다.

EXO-200은 Phase I(2011-2014)와 업그레이드 후 Phase II(2016-2018) 두 번의 과학적 작업을 수행하여 총 234.1kg·yr의 노출을 수행했습니다.혼합 단계 I 및 II 데이터에서는 중성미자 이중 베타 붕괴의 증거가 발견되지 않았으며, 이는 반감기 및 239 [8]meV의 상한 질량에 대해 3.5 25년3.5 10년)을 .2단계는 EXO-200의 마지막 작전이었다.

엑소

대규모 실험인 nEXO(다음 EXO)는 많은 배경을 극복해야 한다.EXO의 공동작업은 액체 크세논의 바륨 태깅을 포함한 많은 가능성을 모색하고 있다.어떤 이중 베타 붕괴 사건도 딸 바륨 이온을 남기는 반면 방사성 불순물이나 중성자와 같은 배경은 남기지 않는다.이벤트 장소에 바륨 이온을 요구하면 모든 배경이 제거됩니다.바륨 단일 이온의 태깅이 시연되었으며 액체 크세논에서 이온을 추출하는 방법에 대한 진보가 이루어졌습니다.동결 프로브 방법이 시연되었으며 가스 태깅도 [9]개발 중입니다.

2014년 EXO-200 논문에 따르면 5000kg TPC는 크세논 셀프 실드와 더 나은 전자 장치를 통해 배경을 개선할 수 있습니다.직경이 130cm로 증가하고 물탱크가 차폐 및 뮤온 거부권으로 추가된다.이것은 감마선의 감쇠 길이보다 훨씬 크다.nEXO용 방사선 투과 구리 작업이 완료되었습니다.SNOLAB "Cryopit"[10]: 17 [11]: 7 에 설치할 예정입니다.

2017년 10월 논문은 실험을 상세하게 설명하고 중성미자 이중 [12]베타 붕괴에 대한 nEXO의 민감도와 발견 가능성에 대해 논의한다.TPC의 이온화 판독치에 대한 자세한 내용도 [13]공개되어 있습니다.

nEXO에 대한 사전 개념 설계 보고서(pCDR)는 2018년에 발행되었습니다.예정지는 캐나다 SNOLAB입니다.

레퍼런스

  1. ^ P. Vogel, A 참조.Piepke (2007)"중성미자 없는 이중 베타 붕괴"W.-M. Yao et al. (Particle Data Group) (2006). "Review of Particle Physics". Journal of Physics G. 33 (1): 1–1232. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.
  2. ^ D. Leonard (2008). "Systematic study of trace radioactive impurities in candidate construction materials for EXO-200". Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 591 (3): 490–509. arXiv:0709.4524. Bibcode:2008NIMPA.591..490L. doi:10.1016/j.nima.2008.03.001. S2CID 118334959.
  3. ^ "EXO project equipment successfully placed underground at WIPP" (PDF) (Press release). DOENews. 24 July 2007.
  4. ^ a b Albert, J. B.; Auty, D. J.; Barbeau, P. S.; Beauchamp, E.; Beck, D.; Belov, V.; Benitez-Medina, C.; Bonatt, J.; Breidenbach, M.; Brunner, T.; Burenkov, A.; Cao, G. F.; Chambers, C.; Chaves, J.; Cleveland, B.; Coon, M.; Craycraft, A.; Daniels, T.; Danilov, M.; Daugherty, S. J.; Davis, C. G.; Davis, J.; Devoe, R.; Delaquis, S.; Didberidze, T.; Dolgolenko, A.; Dolinski, M. J.; Dunford, M.; Fairbank Jr, W.; et al. (12 June 2014). "Search for Majorana neutrinos with the first two years of EXO-200 data". Nature. 510 (7504): 229–234. arXiv:1402.6956. Bibcode:2014Natur.510..229T. doi:10.1038/nature13432. PMID 24896189. S2CID 2740003.
  5. ^ N. Ackerman; et al. (2011). "Observation of Two-Neutrino Double-Beta Decay in 136Xe with EXO-200". Physical Review Letters. 107 (21): 212501. arXiv:1108.4193. Bibcode:2011PhRvL.107u2501A. doi:10.1103/PhysRevLett.107.212501. PMID 22181874. S2CID 40334443.
  6. ^ Albert, J. B.; Auger, M.; Auty, D. J.; Barbeau, P. S.; Beauchamp, E.; Beck, D.; Belov, V.; Benitez-Medina, C.; Bonatt, J.; Breidenbach, M.; Brunner, T.; Burenkov, A.; Cao, G. F.; Chambers, C.; Chaves, J.; Cleveland, B.; Cook, S.; Craycraft, A.; Daniels, T.; Danilov, M.; Daugherty, S. J.; Davis, C. G.; Davis, J.; Devoe, R.; Delaquis, S.; Dobi, A.; Dolgolenko, A.; Dolinski, M. J.; Dunford, M.; et al. (2014). "An improved measurement of the 2νββ half-life of Xe-136 with EXO-200". Phys. Rev. C. 89 (1): 015502. arXiv:1306.6106. Bibcode:2014PhRvC..89a5502A. doi:10.1103/PhysRevC.89.015502.
  7. ^ M. Auger; et al. (2012). "Search for Neutrinoless Double-Beta Decay in 136Xe with EXO-200". Physical Review Letters. 109 (3): 032505. arXiv:1205.5608. Bibcode:2012PhRvL.109c2505A. doi:10.1103/PhysRevLett.109.032505. PMID 22861843. S2CID 29698686.
  8. ^ Anton, G.; et al. (18 October 2019). "Search for Neutrinoless Double-$\ensuremath{\beta}$ Decay with the Complete EXO-200 Dataset". Physical Review Letters. 123 (16): 161802. arXiv:1906.02723. doi:10.1103/PhysRevLett.123.161802. PMID 31702371. S2CID 174803277.
  9. ^ P. Fierlinger; et al. (2008). "A microfabricated sensor for thin dielectric layers". Review of Scientific Instruments. 79 (4): 045101–045101–7. arXiv:0706.0540. Bibcode:2008RScI...79d5101F. doi:10.1063/1.2906402. PMID 18447546. S2CID 2950473.
  10. ^ Yang, Liang (8 July 2016). Status and Prospects for the EXO-200 and nEXO Experiments (PDF). XXVII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (presentation). London. 동영상은 뉴트리노 컨퍼런스 2016-금요일(Part 1) 유튜브에서 볼 수 있다.
  11. ^ MacLellan, Ryan (25 September 2017). nEXO: a tonne-scale next-generation double-beta decay experiment. XV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (TAUP 2017) (presentation). Sudbury, Canada.
  12. ^ Albert, J. B.; et al. (nEXO Collaboration) (2018). "Sensitivity and Discovery Potential of nEXO to Neutrinoless Double Beta Decay". Physical Review C. 97 (6): 065503. arXiv:1710.05075. Bibcode:2018PhRvC..97f5503A. doi:10.1103/PhysRevC.97.065503. LLNL-JRNL-737682
  13. ^ Jewell, M.; et al. (nEXO Collaboration) (14 October 2017). "Characterization of an Ionization Readout Tile for nEXO". Journal of Instrumentation. 13: P01006. arXiv:1710.05109. doi:10.1088/1748-0221/13/01/P01006. S2CID 56297955.

외부 링크