CUORE

42°27′N 13°34′E / 42.450°N 13.567°E / 42.450; 13.567

El Observatorio Criogénico Subterráneo para Eventos Raros ( CUORE ) – también cuore ( en italiano , ' corazón ' ; [ ˈkwɔːre ] ) – es un experimento de física de partículas ubicado bajo tierra en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso en Assergi , Italia. ^{[ 1 ] [ 2 ]} CUORE fue diseñado principalmente como una búsqueda de la desintegración beta doble sin neutrinos en ¹³⁰ Te , un proceso que nunca se ha observado. ^{[ 3 ]} Utiliza cristales de dióxido de telurio (TeO ₂ ) como fuente de la desintegración y como bolómetros para detectar los electrones resultantes. CUORE busca la señal característica de la desintegración beta doble sin neutrinos, un pequeño pico en el espectro de energía observado alrededor de la energía de desintegración conocida; para ¹³⁰ Te, esta es Q = 2527,518 ± 0,013 keV. ^{[ 4 ]} CUORE también puede buscar señales de candidatos a materia oscura , como axiones y WIMPs . ^{[ 1 ]}   

Una observación de la desintegración beta doble sin neutrinos demostraría de manera concluyente que los neutrinos son fermiones de Majorana ; es decir, son sus propias antipartículas. ^{[ 5 ]} Esto es relevante para muchos temas en física de partículas, incluyendo la conservación del número leptónico , la estructura nuclear y las masas y propiedades de los neutrinos .

La colaboración CUORE involucra a físicos de varios países, principalmente de Estados Unidos e Italia . ^{[ 6 ]} CUORE está financiada por el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare de Italia, el Departamento de Energía de Estados Unidos y la National Science Foundation de Estados Unidos.

En septiembre de 2014, como parte de las pruebas del refrigerador de dilución CUORE , los científicos de la colaboración CUORE enfriaron un recipiente de cobre con un volumen de un metro cúbico a 6  mK (0,006  K, −273,144  °C) durante 15 días, estableciendo un récord para la temperatura más baja en el universo natural conocido sobre un volumen continuo tan grande. ^{[ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

Los detectores CUORE son cristales de TeO₂ que funcionan como bolómetros de baja _capacidad calorífica . Están dispuestos en torres y enfriados en un criostato de gran tamaño a aproximadamente 10  mK mediante un refrigerador de dilución . Los detectores están aislados de la radiación térmica, electromagnética y de otras partículas ambientales mediante un blindaje de ultra alta pureza y baja radiactividad. Se recogen los picos de temperatura de los electrones emitidos en las desintegraciones beta dobles del ²³²Th para su análisis espectral. Los detectores se calibran utilizando ^²³²Th , el primer elemento de una larga cadena de desintegración que incluye varios rayos gamma prominentes de hasta 2615  keV.

Para la construcción de CUORE, la colaboración siguió varios procedimientos para minimizar la contaminación radiactiva que puede causar que los detectores registren eventos de fondo a energías cercanas a la energía liberada en la desintegración beta doble sin neutrinos. Los cristales fueron cultivados por el Instituto de Cerámica de Shanghái en la Academia China de Ciencias con estrictos requisitos de radiopureza. ^{[ 10 ]} Los cristales se mantienen en su lugar mediante soportes de PTFE en torres construidas con cobre de alta conductividad térmica libre de oxígeno y fueron ensamblados bajo nitrógeno dentro de cajas de guantes en salas limpias . Se utilizan cobre, plomo, plomo romano antiguo de baja radiactividad y polietileno borado para blindar los detectores. También se utilizan algoritmos de coincidencia para rechazar eventos que causaron la activación de múltiples canales, como los causados ​​por un muón de rayos cósmicos entrante o un rayo gamma que se dispersa por Compton en múltiples cristales. ^{[ 11 ]}

Cuoricino fue la primera torre bolométrica a gran escala utilizada para la búsqueda de eventos raros y estuvo en funcionamiento desde 2003 hasta 2008. Contaba con 62 cristales de TeO₂ (11 _kg  de ^¹³⁰Te ), algunos enriquecidos en ^¹³⁰Te y otros con abundancia isotópica natural, siendo algunos ligeramente más grandes y otros más pequeños. ^{[ 12 ]} La torre tenía una construcción similar a la de la torre CUORE y estaba blindada con cobre, plomo y plomo romano. Cuoricino operaba a una temperatura cercana a los 8  mK en un refrigerador de dilución relativamente pequeño. ^{[ 13 ]}

Utilizando los resultados de Cuoricino, se finalizaron los detalles finales de las torres detectoras CUORE y se estableció una secuencia de ensamblaje para la construcción de estas 19 torres. ^{[ 13 ]} CUORE-0 fue la primera torre detectora producida en esta línea de ensamblaje. Tenía 52 cristales de TeO₂ mejorados _en una torre de cobre con mayor pureza superficial y una reducción significativa del radón y otra contaminación. ^{[ 14 ]} Se operó en el criostato de Cuoricino de 2013 a 2015 como primera prueba de los nuevos procedimientos de ensamblaje de CUORE mientras se completaba el ensamblaje de las torres CUORE. ^{[ 15 ]}

CUORE es una versión ampliada de CUORE-0, alojada en un nuevo criostato diseñado a medida, capaz de soportar un detector con una masa aproximada de una tonelada. Contiene 988 cristales de 5×5×5 ^cm³  , con 741 kg de TeO₂ ₍ 206 kg de ^¹³⁰Te ). El nuevo criostato se construyó con materiales extremadamente radiopuros, ^{[ 16 ]} y se utiliza un gran escudo de plomo de la Antigua Roma para proteger los detectores. ^{[ 17 ]} Hay un escudo octogonal de 73 toneladas fuera del criostato, construido con plomo y polietileno borado, para reducir la cantidad de rayos gamma y neutrones ambientales que llegan al detector. ^{[ 16 ]} Debido a la gran cantidad de detectores discretos, los muones de rayos cósmicos se pueden excluir fácilmente rechazando los eventos que ocurren simultáneamente en múltiples detectores. ^{[ 11 ]}  

Las torres CUORE se instalaron en el criostato en agosto de 2016, ^{[ 18 ]} y la toma de datos con CUORE comenzó en mayo de 2017.

Cuoricino tomó datos desde abril de 2003 hasta junio de 2008. Los resultados finales, utilizando 19,75  kg·año de exposición a ^130Te , establecieron límites del 90% líderes a nivel mundial para la vida media 0νββ del 130Te ( ^T 0ν ½ >    2,8  ×  10  24 ^años  ), con un fondo de 0,18  ±  0,01/(keV·kg·año) cerca de la energía de desintegración 0νββ. ^{[ 19 ]} También se establecieron límites de masa de axiones, consistentes con otros experimentos. ^{[ 20 ]}

El primer artículo que detalla el rendimiento inicial de CUORE-0 se publicó en agosto de 2014 utilizando datos tomados de marzo a septiembre de 2013, con  una exposición de 7,1 kg·año, mostrando fondos reducidos en un factor de 6 en comparación con CUORICINO y una resolución energética de 5,7  keV. ^{[ 14 ]} En abril de 2015 se presentó un límite para 0νββ, combinando 9,8  kg·año de exposición de CUORE-0 con la exposición de Cuoricino para establecer un nuevo límite de T 0ν ½   > 4,0×10 ²⁴ años. ^{[ 21 ]}

CUORE tiene un objetivo de fondo de 0,01·cuentas/(keV·kg·año) en la región de interés 0νββ con un objetivo de resolución energética de 5,0  keV. Después de cinco años, se estima que CUORE tendrá una sensibilidad de vida media de 90 % CL a 0νββ de 9,5  ×  10²⁵ ^años  y una sensibilidad efectiva de masa de neutrino de Majorana de 0,05 – 0,13  eV (dependiendo de los elementos de matriz nuclear utilizados). ^{[ 16 ]}

Los primeros resultados del experimento completo CUORE se publicaron en 2018, sin encontrar evidencia de desintegración beta doble sin neutrinos, estableciendo un límite inferior bayesiano del IC del 90% para la vida útil de${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>1.5\cdot 10^{25}}$años. ^{[ 22 ]} En 2020 y 2022 se dieron nuevos límites en${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.2\cdot 10^{25}}$^{[ 23 ]} y${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>2.2\cdot 10^{25}}$^{[ 24 ] [ 25 ]} años al mismo nivel de confianza. En 2026, el límite se incrementó a${\displaystyle T_{\beta \beta }^{0\nu }>3.5\cdot 10^{25}}$años. ^{[ 26 ]}

CUPID ( CUORE Upgrade With Particle Identification ) es un proyecto de investigación y desarrollo para el detector CUORE. ^{[ 27 ]} Varios grupos de investigación en todo el mundo están trabajando para desarrollar materiales para esta actualización. ^{[ 28 ]} CUPID tiene como objetivo utilizar nuevos materiales para el detector en el mismo criostato que CUORE.

ABSuRD ( Detector de rechazo de superficie de fondo ) es un proyecto de investigación y desarrollo para el detector CUORE. El proyecto tiene como objetivo desarrollar un bolómetro centelleador con la capacidad de vetar la radiación de fondo ionizante. ^{[ 29 ]}

• Registro del experimento CUORE en INSPIRE-HEP
• Página oficial del experimento CUORE
• CUORE en LNGS
• Página de Milan CUORE archivada el 8 de diciembre de 2013 en Wayback Machine .
• Página de CUORE del grupo Berkeley
• Página principal de CUORICINO archivada el 6 de febrero de 2009 en Wayback Machine.