⚛️ nuclear experiments

A study of neutrinoless double electron capture in $^{40}$ Ca from the AMoRE experiment

L'expérience AMoRE-I a analysé 7,32 kg $\cdot$ an d'exposition provenant de treize cristaux de $^{40}$ Ca $^{100}$ MoO $_4$ pour rechercher la double capture électronique neutre dans le $^{40}$ Ca, ne trouvant aucun signal significatif et fixant une limite de demi-vie inférieure à $1,7 \times 10^{22}$ ans à un niveau de confiance de 90 %.

Auteurs originaux : AMoRE Collaboration, A. Agrawal, V. V. Alenkov, P. Aryal, J. Beyer, B. Bhandari, R. S. Boiko, K. Boonin, O. Buzanov, C. R. Byeon, N. Chanthima, M. K. Cheoun, J. S. Choe, Seonho Choi, S. Choudhury, J.

Publié 2026-07-10

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : AMoRE Collaboration, A. Agrawal, V. V. Alenkov, P. Aryal, J. Beyer, B. Bhandari, R. S. Boiko, K. Boonin, O. Buzanov, C. R. Byeon, N. Chanthima, M. K. Cheoun, J. S. Choe, Seonho Choi, S. Choudhury, J. S. Chung, F. A. Danevich, M. Djamal, D. Drung, C. Enss, A. Fleischmann, A. M. Gangapshev, L. Gastaldo, Y. M. Gavrilyuk, A. M. Gezhaev, O. Gileva, V. D. Grigorieva, V. I. Gurentsov, C. Ha, D. H. Ha, E. J. Ha, D. H. Hwang, E. J. Jeon, J. A. Jeon, H. S. Jo, J. Kaewkhao, C. S. Kang, W. G. Kang, V. V. Kazalov, S. Kempf, A. Khan, S. Khan, D. Y. Kim, G. W. Kim, H. B. Kim, Ho-Jong Kim, H. J. Kim, H. L. Kim, H. S. Kim, M. B. Kim, S. C. Kim, S. K. Kim, S. R. Kim, W. T. Kim, Y. D. Kim, Y. H. Kim, K. Kirdsiri, Y. J. Ko, V. V. Kobychev, V. Kornoukhov, V. V. Kuzminov, D. H. Kwon, C. H. Lee, DongYeup Lee, E. K. Lee, H. J. Lee, H. S. Lee, J. Lee, J. Y. Lee, K. B. Lee, M. H. Lee, M. K. Lee, S. W. Lee, Y. C. Lee, D. S. Leonard, H. S. Lim, B. Mailyan, E. P. Makarov, P. B. Nyanda, Y. Oh, S. L. Olsen, S. I. Panasenko, H. K. Park, H. S. Park, K. S. Park, S. Y. Park, O. G. Polischuk, H. Prihtiadi, S. Ra, S. S. Ratkevich, G. Rooh, E. Sala, M. B. Sari, J. Seo, K. M. Seo, B. Sharma, K. A. Shin, V. N. Shlegel, K. Siyeon, J. So, N. V. Sokur, J. K. Son, J. W. Song, N. Srisittipokakun, V. I. Tretyak, R. Wirawan, K. R. Woo, H. J. Yeon, Y. S. Yoon, Q. Yue

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que l'univers est une immense bibliothèque silencieuse où les particules sont les livres. La plupart du temps, ces livres suivent des règles strictes : on ne peut pas simplement faire disparaître un livre sans laisser de trace, et on ne peut pas en créer un à partir de rien. Mais les physiciens ont une théorie folle selon laquelle parfois, un type très spécial de « particule fantôme » appelée neutrino pourrait être son propre jumeau, une particule de Majorana. Si cela est vrai, cela briserait la règle la plus sacrée de la bibliothèque : la conservation du nombre leptonique.

Pour prendre ce fauteur de troubles sur le fait, une équipe de scientifiques appelée la collaboration AMoRE a construit un piège ultra-sensible profondément sous terre, sous 700 mètres de roche à Yangyang, en Corée du Sud. Ils n'ont pas utilisé de filet ; ils ont utilisé un ensemble de treize géants cristaux ultra-froids faits de molybdate de calcium (CaMoO₄). Imaginez que ces cristaux sont des oreilles gelées et ultra-silencieuses, attendant d'entendre un murmure du monde atomique.

Leur cible était un atome spécifique, le Calcium-40. Habituellement, les atomes sont stables, mais parfois, deux électrons à l'intérieur du noyau de l'atome peuvent décider de disparaître exactement au même moment. C'est ce qu'on appelle la « capture électronique double ». Si les neutrinos sont leurs propres jumeaux, cet événement pourrait se produire sans envoyer de neutrinos du tout. Ce serait comme si deux personnes s'éclipsaient d'une pièce sans faire le moindre bruit, ne laissant derrière elles qu'un minuscule et spécifique « choc » d'énergie.

Les scientifiques ont fait fonctionner leur expérience pendant longtemps, collectant des données équivalentes à 7,32 kilogramme-années d'exposition. Ils cherchaient un « choc » très spécifique à un niveau d'énergie de 193,5 keV. C'est comme écouter une note unique et parfaite dans une pièce bruyante.

La Grande Révélation :
Après toute cette écoute, les cristaux sont restés silencieux. Ils n'ont pas entendu le choc spécial de la capture électronique double sans neutrino. L'équipe n'a trouvé aucune preuve que cet événement spécifique s'est produit durant leur période d'observation. Au lieu de capturer l'événement, ils ont établi une nouvelle « limite de vitesse » pour la rapidité avec laquelle il pourrait se produire. Ils ont calculé que si cet événement se produit, il doit être incroyablement rare : il arrive moins d'une fois tous les 1,7 × 10²² ans. Pour mettre cela en perspective, ce nombre est si énorme qu'il fait passer l'âge de l'univers pour un clin d'œil. Cette nouvelle limite est légèrement plus stricte que ce que des expériences précédentes utilisant différents cristaux (CaWO₄) avaient trouvé, ce qui signifie que l'équipe AMoRE a resserré le nœud coulant autour de ce mystère.

Et pour l'avenir ?
L'article ne dit pas que la recherche est terminée ; il dit simplement que ce tour de jeu n'a pas produit de vainqueur. L'équipe prévoit déjà une version plus grande et meilleure appelée AMoRE-II. Ils prévoient d'utiliser plus de cristaux et d'avoir un fond beaucoup plus calme (moins de bruit dans la bibliothèque). D'après des simulations informatiques, ils prédisent que lors de la prochaine phase, ils pourraient pousser cette « limite de vitesse » encore plus bas, à environ 9 × 10²² ans.

Ils ont également noté que leur équipement actuel n'était pas assez sensible pour entendre un murmure encore plus discret : un processus impliquant deux neutrinos (2ν2K) qui se produit à une énergie beaucoup plus basse de 6,4 keV. C'est un travail pour le futur, pour des détecteurs améliorés.

Pour l'instant, la conclusion principale est un « non » catégorique pour cette expérience spécifique. Ils n'ont pas trouvé la capture électronique double sans neutrino dans le Calcium-40, mais en prouvant que cela ne se produit pas si souvent, ils ont aidé à cartographier les limites du livre de règles de notre univers un peu plus clairement. La recherche continue, mais pour l'instant, les atomes de calcium gardent leurs secrets.

Résumé technique : Une étude de la double capture électronique neutrinoless de $^{40}$ Ca par l'expérience AMoRE

Énoncé du problème
La recherche de la double capture électronique sans neutrino ( $0\nu2EC$ ) constitue une sonde critique pour la violation de la conservation du nombre leptonique et la nature Majorana des neutrinos. Bien que l'objectif physique principal de la collaboration AMoRE (Advanced Mo-based Rare process Experiment) soit la recherche de la double désintégration bêta sans neutrino ( $0\nu\beta\beta$ ) du $^{100}$ Mo, l'expérience utilise des cristaux de molybdate de calcium ( $^{40}$ Ca $^{100}$ MoO $_4$ ou CMO). Ces cristaux contiennent du $^{40}$ Ca en tant qu'isotope naturellement présent avec une haute concentration isotopique ( $\delta \approx 96,94 \%$ ). Bien que l'énergie de désintégration pour la $0\nu2EC$ de $^{40}$ Ca ( $Q_{2EC} = 193,50$ keV) ne favorise pas d'amplification résonante, l'expérience est bien adaptée pour rechercher ce processus rare. Les limites précédentes sur cette désintégration ont été établies par la collaboration CRESST à l'aide de bolomètres CaWO $_4$ . Cet article présente une investigation de la désintégration $0\nu2EC$ de $^{40}$ Ca utilisant les données de la phase AMoRE-I.

Méthodologie
L'analyse utilise un ensemble de données physiques de l'expérience AMoRE-I, menée au laboratoire souterrain de Yangyang (700 m de couverture rocheuse) entre décembre 2020 et mai 2023. L'ensemble de données correspond à une exposition totale de 7,32 kg·an provenant de treize cristaux de CMO, yielding une exposition isotopique spécifique de $^{40}$ Ca de 1,43 kg·an.

Système de détection : L'expérience utilise des détecteurs cryogéniques équipés de calorimètres magnétiques métalliques (MMC) pour une lecture simultanée des phonons et des photons. Ce schéma de double lecture permet l'identification des particules pour rejeter les fonds de désintégration $\alpha$ .
Traitement des données : Les données ont été réanalysées avec des déclencheurs d'événements optimisés pour abaisser le seuil d'énergie, un filtrage optimal pour l'amplitude du signal, et des corrections pour les instabilités du signal. L'ensemble de données a été divisé en deux périodes : « avant coupure de courant » (BPO, déc. 2020 – nov. 2021) et « après coupure de courant » (APO, janv. 2022 – mai 2023). La coupure de courant a entraîné par accident une amélioration de la résolution en énergie dans la plupart des détecteurs et l'activation d'un module auparavant non réactif (CMO 03).
Calibration de l'énergie et résolution : La calibration a utilisé des pics $\gamma$ d'une source $^{232}$ Th (583, 911, 969, 2615 keV) et un pic de rayons X de Pb à 75 keV. Les formes de pics ont été ajustées à l'aide de la fonction de Bukin pour tenir compte des queues asymétriques. La résolution en énergie FWHM (largeur à mi-hauteur) dans la région d'intérêt (ROI) a été modélisée, la plupart des détecteurs atteignant 2,5–4 keV FWHM dans l'ensemble de données APO.
Modélisation du signal : Le processus $0\nu2EC$ dans $^{40}$ Ca procède par capture atomique (dominante $f_{KK} \approx 85 \%$ , $f_{KL} \approx 14 \%$ ). Pour les transitions état fondamental à état fondamental, le canal KK procède via des électrons de conversion interne (IC), tandis que les canaux KL peuvent émettre des photons réels ou des électrons IC. Des simulations Monte Carlo GEANT4 ont été utilisées pour déterminer les efficacités de confinement ( $\varepsilon_{cont} \approx 0,91–0,93$ ) et les efficacités de détection totales ( $\varepsilon \approx 0,86–0,92$ ), tenant compte de la plus faible densité de CMO par rapport au CaWO $_4$ .
Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance étendu par bacs (binned-extended likelihood fit) a été effectué sur le spectre d'énergie dans une fenêtre de $\pm 12\sigma$ autour de $Q_{2EC} = 193,5$ keV. Le modèle de fond incluait une composante linéaire et un pic à 186 keV (attribué à $^{226}$ Ra/ $^{235}$ U). Le signal a été modélisé à l'aide de la fonction de densité de probabilité de Bukin. Les incertitudes systématiques ont été contraintes via des termes gaussiens.

Principales contributions

Première limite AMoRE-I sur $^{40}$ Ca : L'article établit la première limite inférieure sur la demi-vie de la $0\nu2EC$ de $^{40}$ Ca utilisant des cristaux de CMO, démontrant la capacité du réseau de détecteurs AMoRE à rechercher des processus rares au-delà de son programme principal de $0\nu\beta\beta$ du $^{100}$ Mo.
Sensibilité améliorée : L'analyse affine la reconstruction de l'échelle d'énergie et utilise un ensemble de données plus large avec une résolution en énergie améliorée (post-coupure de courant) par rapport aux études précédentes.
Caractérisation du fond : L'étude détaille la composition du bruit de fond dans la ROI, identifiant le pic de 186 keV et quantifiant l'indice de fond pour les détecteurs individuels, notant que le blindage temporaire en aluminium durant la période BPO a contribué à des niveaux de fond plus élevés.

Résultats

Observation : Aucun excès significatif d'événements n'a été observé dans la région d'intérêt (193,5 keV). Le taux de désintégration le mieux ajusté ( $\Gamma_{best} \sim 1,2 \times 10^{-23}$ an $^{-1}$ ) est attribué à des fluctuations statistiques du fond.
Limite de demi-vie : À un niveau de confiance de 90 % (CL), l'expérience fixe une limite inférieure sur la demi-vie de :
$T_{1/2}^{0\nu} > 1,7 \times 10^{22} \text{ an}$
Ce qui correspond à une limite supérieure sur le taux de désintégration de $\Gamma_{90} = 4,1 \times 10^{-23}$ an $^{-1}$ .
Comparaison : Ce résultat représente une légère amélioration par rapport à la limite précédente de $T_{1/2}^{0\nu} > 1,4 \times 10^{22}$ an établie par la collaboration CRESST utilisant des bolomètres CaWO $_4$ .
Projections de sensibilité : La sensibilité médiane attendue pour l'ensemble de données actuel est $T_{1/2}^{0\nu} = 2,0^{+0,8}_{-0,6} \times 10^{22}$ an.

Signification et perspectives d'avenir
L'article conclut que l'expérience AMoRE démontre avec succès le potentiel des détecteurs de CaMoO $_4$ pour explorer des processus de désintégration rares. Bien que l'ensemble de données actuel d'AMoRE-I n'atteigne pas le bas seuil d'énergie (6,4 keV) requis pour rechercher le processus de double capture K à deux neutrinos ( $2\nu2K$ ) dans $^{40}$ Ca, les résultats valident la technologie des détecteurs pour de telles recherches.

En regardant vers la future expérience AMoRE-II, qui utilisera 90 kg de $^{100}$ Mo et conservera au moins 13 cristaux de CMO, les auteurs projettent une amélioration significative de la sensibilité. En supposant une masse de 4,6 kg de CMO, 5 ans de temps de vie et des niveaux de fond réduits, la sensibilité d'exclusion médiane attendue devrait atteindre $T_{1/2}^{0\nu} \sim 9 \times 10^{22}$ an à 90 % CL. Cela représente une amélioration d'environ un facteur cinq par rapport à la limite actuelle d'AMoRE-I, portée par une réduction du fond d'un facteur cinq et une augmentation de l'exposition d'un facteur trois. Ces conclusions soulignent le potentiel physique plus large du projet AMoRE, s'étendant des recherches sur des événements rares de l'ordre du keV aux sondes de l'échelle MeV de la physique au-delà du Modèle Standard.

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