Observatório de Xenon Enriquecido - Enriched Xenon Observatory
Coordenadas : 32 ° 22′18 ″ N 103 ° 47′37 ″ W / 32,37167 ° N 103,79361 ° W
O Enriched Xenon Observatory ( EXO ) é um experimento de física de partículas em busca de decaimento beta duplo sem neutrinos do xenônio -136 em WIPP perto de Carlsbad, Novo México, EUA
A detecção do decaimento beta duplo sem neutrinos (0νββ) provaria a natureza Majorana dos neutrinos e impactaria os valores de massa e ordenação dos neutrinos . Esses são tópicos abertos importantes na física de partículas .
EXO atualmente tem uma câmara de projeção de tempo líquido de xenônio de 200 quilogramas ( EXO-200 ) com esforços de P&D em um experimento em escala de toneladas ( nEXO ). O decaimento beta duplo do xenônio foi detectado e os limites foram definidos para 0νββ.
Visão geral
EXO mede a taxa de eventos de decaimento sem neutrinos acima do fundo esperado de sinais semelhantes, para encontrar ou limitar a meia-vida do decaimento beta duplo, que se relaciona com a massa de neutrino efetiva usando elementos de matriz nuclear. Um limite na massa efetiva do neutrino abaixo de 0,01 eV determinaria a ordem da massa do neutrino. A massa de neutrino efetiva é dependente da massa de neutrino mais leve, de forma que esse limite indica a hierarquia de massa normal.
A taxa esperada de eventos 0νββ é muito baixa, então a radiação de fundo é um problema significativo. O WIPP tem 650 metros (2.130 pés) de cobertura rochosa - equivalente a 1.600 metros (5.200 pés) de água - para filtrar os raios cósmicos que chegam. Uma blindagem de chumbo e um criostato também protegem a configuração. Os decaimentos sem neutrinos apareceriam como um pico estreito no espectro de energia em torno do valor Q do xenônio (Q ββ = 2457,8 keV), que é bastante alto e acima da maioria dos decaimentos gama.
EXO-200
História
EXO-200 foi projetado com uma meta de menos de 40 eventos por ano dentro de dois desvios padrão da energia de decaimento esperada. Este histórico foi obtido selecionando e rastreando todos os materiais para radiopureza. Originalmente, a embarcação deveria ser feita de Teflon, mas o projeto final da embarcação usa cobre fino e ultra puro. EXO-200 foi realocado de Stanford para WIPP no verão de 2007. A montagem e o comissionamento continuaram até o final de 2009, com a coleta de dados começando em maio de 2011. A calibração foi feita usando fontes gama 228 Th, 137 Cs e 60 Co.
Projeto
O protótipo EXO-200 usa uma câmara de projeção de tempo cilíndrica de cobre cheia com 150 quilogramas (331 lb) de xenônio líquido puro. O xenônio é um cintilador , portanto, as partículas de decomposição produzem luz imediata, que é detectada por fotodiodos de avalanche , fornecendo o tempo do evento. Um grande campo elétrico conduz os elétrons de ionização para os fios para coleta. O tempo entre a luz e a primeira coleção determina a coordenada z do evento, enquanto uma grade de fios determina as coordenadas radiais e angulares.
O criostato EXO-200 instalado no subsolo no WIPP.
As salas limpas EXO-200 instaladas no subsolo em WIPP.
Resultados
O fundo da radioatividade da terra (Th / U) e contaminação de 137 Xe levou a ≈2 × 10-3 contagens / (keV · kg · ano) no detector. A resolução de energia próxima a Q ββ de 1,53% foi alcançada.
Em agosto de 2011, EXO-200 foi o primeiro experimento a observar o decaimento beta duplo de 136 Xe, com meia-vida de 2,11 × 10 21 anos. Este é o processo mais lento diretamente observado. Uma meia-vida melhorada de 2,165 ± 0,016 (stat) ± 0,059 (sys) × 10 21 anos foi publicada em 2014. EXO estabeleceu um limite de decaimento beta sem neutrinol de 1,6 × 10 25 anos em 2012. Uma análise revisada dos dados da corrida 2 com A exposição de 100 kg · ano, relatada na edição de junho da Nature, reduziu os limites de meia-vida para 1,1 × 10 25 anos e a massa para 450 meV. Isso foi usado para confirmar o poder do projeto e validar a expansão proposta.
A execução adicional por dois anos foi tomada.
EXO-200 realizou duas operações científicas, Fase I (2011-2014) e após as atualizações, Fase II (2016-2018) para uma exposição total de 234,1 kg · ano. Nenhuma evidência de decaimento beta duplo sem neutrinos foi encontrada nos dados combinados das Fases I e II, fornecendo o limite inferior de anos para a meia-vida e a massa superior de 239 meV. A Fase II foi a operação final do EXO-200.
nEXO
Um experimento em escala de toneladas, nEXO ("próximo EXO"), deve superar muitos antecedentes. A colaboração EXO está explorando muitas possibilidades para fazer isso, incluindo marcação de bário em xenônio líquido. Qualquer evento de decaimento beta duplo deixará para trás um íon bário filho, enquanto fundos, como impurezas radioativas ou nêutrons, não. Exigir um íon de bário no local de um evento elimina todos os fundos. A marcação de um único íon de bário foi demonstrada e houve progresso em um método para extrair íons do xenônio líquido. Um método de sonda de congelamento foi demonstrado e a marcação de gases também está sendo desenvolvida.
O papel EXO-200 de 2014 indicou que um TPC de 5000 kg pode melhorar o fundo por autoproteção de xenônio e melhor eletrônica. O diâmetro seria aumentado para 130 cm e um tanque de água seria adicionado como proteção e veto de múon. Isso é muito maior do que o comprimento de atenuação dos raios gama. O cobre radiopuro para nEXO foi concluído. Está prevista a instalação no SNOLAB "Cryopit".
Um artigo de outubro de 2017 detalha o experimento e discute a sensibilidade e o potencial de descoberta de nEXO para o decaimento beta duplo sem neutrinos. Detalhes sobre a leitura de ionização do TPC também foram publicados.
O relatório de projeto pré-conceitual (pCDR) para nEXO foi publicado em 2018. A localização planejada é SNOLAB , Canadá.