32°22′18″N 103°47′37″O / 32.37167°N 103.79361°W / 32.37167; -103.79361
El Observatorio de Xenón Enriquecido ( EXO ) es un experimento de física de partículas que busca la desintegración beta doble sin neutrinos del xenón -136 en WIPP cerca de Carlsbad, Nuevo México, EE. UU.
La detección de la desintegración beta doble sin neutrinos (0νββ) demostraría la naturaleza de Majorana de los neutrinos e influiría en los valores de masa y ordenación de los neutrinos. Estos son temas importantes que aún no han sido abordados en la física de partículas .
Actualmente, EXO cuenta con una cámara de proyección de tiempo de xenón líquido de 200 kilogramos ( EXO-200 ) y está realizando esfuerzos de investigación y desarrollo en un experimento a escala de toneladas ( nEXO ). Se detectó la desintegración doble beta del xenón y se han establecido límites para 0νββ.
EXO mide la tasa de eventos de desintegración sin neutrinos por encima del fondo esperado de señales similares, para encontrar o limitar la vida media de desintegración beta doble, que se relaciona con la masa efectiva del neutrino utilizando elementos de la matriz nuclear. Un límite en la masa efectiva del neutrino por debajo de 0,01 eV determinaría el orden de masa del neutrino. La masa efectiva del neutrino depende de la masa del neutrino más ligero de tal manera que ese límite indica la jerarquía de masa normal. [1]
La tasa esperada de eventos 0νββ es muy baja, por lo que la radiación de fondo es un problema significativo. WIPP tiene 650 metros (2130 pies) de sobrecarga de roca, equivalente a 1600 metros (5200 pies) de agua, para proteger los rayos cósmicos entrantes. Un blindaje de plomo y un criostato también protegen la instalación. Las desintegraciones sin neutrinos aparecerían como picos estrechos en el espectro de energía alrededor del valor Q del xenón (Q ββ = 2457,8 keV), que es bastante alto y está por encima de la mayoría de las desintegraciones gamma.
EXO-200 fue diseñado con el objetivo de producir menos de 40 eventos por año dentro de dos desviaciones estándar de la energía de desintegración esperada. Este nivel se logró seleccionando y examinando todos los materiales en cuanto a radiopureza. Originalmente, el recipiente iba a estar hecho de teflón, pero el diseño final del recipiente utiliza cobre fino y ultrapuro. [2] EXO-200 fue trasladado de Stanford a WIPP en el verano de 2007. [3] El ensamblaje y la puesta en servicio continuaron hasta fines de 2009 y la toma de datos comenzó en mayo de 2011. La calibración se realizó utilizando fuentes gamma de 228 Th, 137 Cs y 60 Co.
El prototipo EXO-200 utiliza una cámara de proyección de tiempo cilíndrica de cobre llena de 150 kilogramos (331 lb) de xenón líquido puro. El xenón es un centelleador , por lo que las partículas de desintegración producen una luz inmediata que es detectada por fotodiodos de avalancha , proporcionando el tiempo del evento. Un gran campo eléctrico conduce los electrones de ionización a cables para su recolección. El tiempo entre la luz y la primera recolección determina la coordenada z del evento, mientras que una cuadrícula de cables determina las coordenadas radiales y angulares.
El fondo de la radiactividad terrestre (Th/U) y la contaminación con 137 Xe dieron lugar a ≈2×10 −3 recuentos/(keV·kg·año) en el detector. Se logró una resolución de energía cerca de Q ββ de 1,53 %. [4]
En agosto de 2011, EXO-200 fue el primer experimento en observar la desintegración beta doble de 136 Xe, con una vida media de 2,11×10 21 años. [5] Este es el proceso más lento observado directamente. En 2014 se publicó una vida media mejorada de 2,165 ±0,016(stat) ±0,059(sys) × 10 21 años. [6] EXO estableció un límite para la desintegración beta sin neutrinos de 1,6×10 25 años en 2012. [7] Un análisis revisado de los datos de la segunda serie con una exposición de 100 kg·año, publicado en la edición de junio de Nature, redujo los límites de la vida media a 1,1×10 25 años y la masa a 450 meV. [4] Esto se utilizó para confirmar la potencia del diseño y validar la expansión propuesta.
Se tomó un período adicional de dos años.
EXO-200 ha realizado dos operaciones científicas, la Fase I (2011-2014) y, tras las actualizaciones, la Fase II (2016-2018), con una exposición total de 234,1 kg·año. No se ha encontrado evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos en los datos combinados de la Fase I y II, lo que da como resultado un límite inferior de años para la vida media y la masa superior de 239 meV. [8] La Fase II fue la operación final de EXO-200.
Un experimento a escala de una tonelada, nEXO ("next EXO"), debe superar muchos antecedentes. La colaboración EXO está explorando muchas posibilidades para lograrlo, incluido el marcado con bario en xenón líquido. Cualquier evento de desintegración beta doble dejará atrás un ion de bario hijo, mientras que los antecedentes, como las impurezas radiactivas o los neutrones, no lo harán. Requerir un ion de bario en el lugar de un evento elimina todos los antecedentes. Se ha demostrado el marcado de un solo ion de bario y se ha avanzado en un método para extraer iones del xenón líquido. Se ha demostrado un método de sonda de congelación y también se está desarrollando el marcado gaseoso. [9]
El artículo de 2014 sobre EXO-200 indicó que un TPC de 5000 kg puede mejorar el fondo mediante el autoprotector de xenón y una mejor electrónica. El diámetro se aumentaría a 130 cm y se añadiría un tanque de agua como blindaje y veto de muones. Esta longitud es mucho mayor que la longitud de atenuación de los rayos gamma. Se ha completado el cobre radiopuro para nEXO. Está previsto su instalación en el "Cryopit" de SNOLAB . [10] : 17 [11] : 7
Un artículo de octubre de 2017 detalla el experimento y analiza la sensibilidad y el potencial de descubrimiento de nEXO para la desintegración beta doble sin neutrinos. [12] También se han publicado detalles sobre la lectura de ionización del TPC. [13]
El informe de diseño preconceptual (pCDR) para nEXO se publicó en 2018. La ubicación planificada es SNOLAB , Canadá.
