Обогащенная ксеноновая обсерватория - Enriched Xenon Observatory
Координаты : 32 ° 22′18 ″ с.ш., 103 ° 47′37 ″ з.д. / 32,37167 ° с.ш.103,79361 ° з.
Обогащенный ксенон обсерватория ( EXO ) является физики элементарных частиц эксперимент поиска безнейтринного двойного бета - распада из ксенона -136 в WIPP около Карлсбад, Нью - Мексико, США
Безнейтринный двойной бета - распад обнаружения (0νββ) будет доказать майорановскую природу нейтрино и воздействовать на массы нейтрино значения и порядок. Это важные открытые темы в физике элементарных частиц .
В настоящее время EXO имеет 200-килограммовую ксеноновую жидкостную проекционную камеру ( EXO-200 ), в которой проводятся исследования и разработки в рамках эксперимента в тонном масштабе ( nEXO ). Обнаружен двойной бета-распад ксенона и установлены пределы для 0νββ.
Обзор
EXO измеряет скорость событий безнейтринного распада выше ожидаемого фона аналогичных сигналов, чтобы найти или ограничить период полураспада двойного бета-распада, который связан с эффективной массой нейтрино с использованием ядерных матричных элементов. Предел эффективной массы нейтрино ниже 0,01 эВ определит порядок массы нейтрино. Эффективная масса нейтрино зависит от самой легкой массы нейтрино таким образом, что эта граница указывает на нормальную иерархию масс.
Ожидаемая частота событий 0νββ очень мала, поэтому фоновое излучение представляет собой серьезную проблему. WIPP имеет 650 метров (2130 футов) скальной породы, что эквивалентно 1600 метрам (5200 футов) воды, для защиты от входящих космических лучей. Свинцовый экран и криостат также защищают установку. Безнейтринные распады будут выглядеть как узкие всплески в энергетическом спектре вокруг значения Q ксенона (Q ββ = 2457,8 кэВ), которое довольно велико и превышает большинство гамма-распадов.
EXO-200
История
EXO-200 был разработан с целью проведения менее 40 событий в год в пределах двух стандартных отклонений от ожидаемой энергии распада. Этот фон был достигнут путем отбора и проверки всех материалов на радиочистоту. Первоначально сосуд должен был быть из тефлона, но в окончательной конструкции сосуда использовалась тонкая сверхчистая медь. EXO-200 был переведен из Стэнфорда в WIPP летом 2007 года. Сборка и ввод в эксплуатацию продолжались до конца 2009 года, сбор данных начался в мае 2011 года. Калибровка проводилась с использованием гамма-источников 228 Th, 137 Cs и 60 Co.
Дизайн
В прототипе EXO-200 используется медная цилиндрическая проекционная камера, заполненная 150 килограммами (331 фунтом) чистого жидкого ксенона. Ксенон является сцинтиллятором , поэтому частицы распада производят мгновенный свет, который регистрируется лавинными фотодиодами , обеспечивая время события. Большое электрическое поле направляет ионизационные электроны к проводам для сбора. Время между светом и первым сбором определяет координату z события, а сетка проводов определяет радиальные и угловые координаты.
Криостат EXO-200 установлен под землей на WIPP.
Чистые помещения EXO-200 установлены под землей в WIPP.
Полученные результаты
Фон от земной радиоактивности (Th / U) и загрязнения 137 Xe привел к значению ≈2 × 10 −3 отсчетов / (кэВ · кг · год) в детекторе. Достигнуто энергетическое разрешение около Q ββ 1,53%.
В августе 2011 года EXO-200 был первым экспериментом по наблюдению двойного бета-распада 136 Xe с периодом полураспада 2,11 × 10 21 год. Это самый медленный процесс, наблюдаемый непосредственно. Улучшенный период полураспада 2,165 ± 0,016 (стат) ± 0,059 (sys) × 10 21 год был опубликован в 2014 году. EXO установили предел безнейтринного бета-распада 1,6 × 10 25 лет в 2012 году. Воздействие 100 кг · год, о котором сообщалось в июньском выпуске журнала Nature, снизило пределы полураспада до 1,1 × 10 25 лет, а массу до 450 мэВ. Это было использовано для подтверждения мощности конструкции и подтверждения предлагаемого расширения.
Была взята доработка на два года.
EXO-200 выполнил две научные операции, Фаза I (2011-2014 гг.) И после модернизации, Фаза II (2016-2018 гг.) С общим воздействием 234,1 кг · год. Никаких свидетельств безнейтринного двойного бета-распада не было обнаружено в объединенных данных фазы I и II, что дает нижнюю границу периода полураспада и верхнюю массу 239 мэВ в годах. Фаза II была последней операцией EXO-200.
NEXO
Эксперимент в масштабе тонны, nEXO («следующий EXO»), должен преодолеть множество предысторий. Коллаборация EXO изучает множество возможностей для этого, в том числе мечение барием в жидком ксеноне. Любое событие двойного бета-распада оставит после себя дочерний ион бария, в то время как фон, такой как радиоактивные примеси или нейтроны, не останется. Требование наличия иона бария в месте проведения мероприятия устраняет все фоны. Было продемонстрировано мечение одного иона бария, и был достигнут прогресс в способе извлечения ионов из жидкого ксенона. Был продемонстрирован метод замораживания зонда, а также разрабатывается газовое мечение.
В документе EXO-200 2014 года указано, что TPC массой 5000 кг может улучшить фон за счет самозащиты ксенона и лучшей электроники. Диаметр будет увеличен до 130 см и добавлен резервуар для воды в качестве защиты и мюонного вето. Это намного больше, чем длина затухания для гамма-лучей. Радиочистая медь для nEXO завершена. Планируется к установке в СНОЛАБ «Криопит».
В статье от октября 2017 года подробно описан эксперимент и обсуждается чувствительность и потенциал обнаружения nEXO для безнейтринного двойного бета-распада. Подробная информация об ионизационном считывании TPC также была опубликована.
Отчет о предконцептуальном проектировании (pCDR) для nEXO был опубликован в 2018 году. Планируемое местоположение - SNOLAB , Канада.