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Muon veto system for the CROSS double-beta decay search experiment

Questo articolo dettaglia la progettazione, la costruzione e la validazione di un sistema di veto per muoni a nove settori per l'esperimento CROSS presso il laboratorio sotterraneo di Canfranc, dimostrando la sua capacità di ridurre il fondo indotto da muoni nella regione di interesse a un livello accettabile per le ricerche del decadimento doppio beta senza neutrini, nonostante un tempo morto del 18%.

Autori originali: A. S. Barabash, L. Bergé, M. Buchynska, J. M. Calvo-Mozota, A. Candela, P. Carniti, M. Chapellier, D. Cintas, A. Corsi, I. Dafinei, F. A. Danevich, M. De Deo, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Giuliani, C. Go

Pubblicato 2026-07-28

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CC BY 4.0

Autori originali: A. S. Barabash, L. Bergé, M. Buchynska, J. M. Calvo-Mozota, A. Candela, P. Carniti, M. Chapellier, D. Cintas, A. Corsi, I. Dafinei, F. A. Danevich, M. De Deo, L. Dumoulin, F. Ferri, A. Giuliani, C. Gotti, P. Gras, A. Ianni, V. V. Kobychev, S. I. Konovalov, P. Loaiza, P. de Marcillac, S. Marnieros, C. A. Marrache-Kikuchi, M. Martinez, C. Nones, E. Olivieri, A. Ortiz de Solórzano, V. Perez, G. Pessina, D. V. Poda, B. Romualdi, Ph. Rosier, R. Serino, V. I. Tretyak, V. I. Umatov, G. Ursini, M. M. Zarytskyy, A. Zolotarova

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

La Pioggia Cosmica e la Ricerca Silenziosa

Immaginate che l'universo stia costantemente piovendo. Ma invece dell'acqua, è una tempesta di particelle invisibili e superveloci chiamate muoni cosmici, che sfrecciano nello spazio quasi alla velocità della luce. Queste particelle sono come piccoli proiettili spettrali capaci di trapassare montagne, edifici e persino il vostro corpo senza che voi possiate avvertire nulla. Per la maggior parte di noi, questo è solo rumore di fondo. Ma per un gruppo speciale di scienziati alla ricerca di uno dei più grandi misteri della fisica, questa pioggia è un enorme problema.

Stanno cercando un evento raro chiamato "doppio decadimento beta senza neutrini". Pensatelo come il tentativo di udire un singolo, perfetto sussurro nel mezzo di uno stadio ruggente. Il "sussurro" è un tipo specifico di decadimento atomico che potrebbe dimostrare che i neutrini sono le proprie antiparticelle, una scoperta che riscriverebbe le leggi della fisica e spiegherebbe perché l'universo esiste. Per ascoltare questo sussurro, gli scienziati costruiscono rilevatori ultra-sensibili in profondità sottoterra per bloccare il rumore. Tuttavia, anche in profondità sottoterra, la "pioggia cosmica" è ancora abbastanza intensa da sommergere il sussurro. Se un muone cosmico colpisce il rilevatore, crea un boato che appare esattamente come il sussurro che stanno cacciando. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno bisogno di un modo per individuare i muoni nel momento stesso in cui arrivano e dire istantaneamente ai loro rilevatori: "Ignora quel rumore! È solo un muone!". Questa è la storia di come hanno costruito un enorme ombrello hi-tech per raccogliere la pioggia cosmica.

Catturare i Fantasmi: Il Nuovo Scudo dell'Esperimento CROSS

Il documento che state leggendo dettaglia la creazione e il test di un "sistema di veto per i muoni" per un esperimento chiamato CROSS, che viene allestito in un laboratorio situato in profondità sottoterra in Spagna. Il team di CROSS si sta preparando a cacciare quell'elusivo decadimento beta senza neutrini utilizzando cristalli fatti di un materiale speciale chiamato molibdato di litio. Poiché la montagna sopra il loro laboratorio non è abbastanza spessa da fermare tutti i muoni cosmici (ci sono ancora circa 20 muoni che colpiscono ogni metro quadrato ogni ora), avevano bisogno di uno scudo su misura per agire come un buttafuori per il loro esperimento.

Costruire l'Ombrello
Gli scienziati hanno progettato una gigantesca gabbia tridimensionale attorno alla loro delicata attrezzatura criogenica. Immaginate una stanza dove vivono i rilevatori; il team ha costruito una parete di sensori intorno ai lati, un pavimento di sensori sotto e un tetto di sensori sopra.

Le Pareti (Settori Laterali): Hanno utilizzato quattro sezioni curve fatte di 28 lunghe barre trasparenti di plastica (polistirene) avvolte attorno al rilevatore. Quando un muone sfreccia attraverso queste barre, produce un minuscolo lampo di luce, che viene catturato da occhi super-sensibili chiamati Fotomoltiplicatori al Silicio (SiPM).
Il Pavimento (Settori Inferiori): Altre quattro sezioni di barre di plastica sono state disposte sotto il rilevatore per catturare i muoni provenienti dal basso.
Il Tetto (Settori Superiori): Due grandi pannelli con tubi di rilevamento della luce tradizionali (PMT) sono stati posizionati sul tetto della struttura per catturare i muoni provenienti dall'alto.

In totale, questo sistema ha nove diversi "settori" che possono agire come scatolati indipendenti. Se un muone attiva uno qualsiasi di questi settori, il sistema urla "MUONE!" e dice ai rilevatori principali di ignorare qualsiasi segnale che accada nello stesso istante.

La Simulazione e la Strategia
Prima di costruire l'oggetto reale, il team ha utilizzato potenti simulazioni al computer (come un videogioco per la fisica) per capire il modo migliore per configurare i loro sensori. Hanno scoperto un problema complicato: se avessero cercato solo i muoni che colpivano due diversi settori contemporaneamente, ne avrebbero persi troppi. È come cercare di catturare un ladro arrestandolo solo se due diverse guardie lo vedono contemporaneamente; il ladro potrebbe passare indisturbato se solo una guardia lo vede.

Le simulazioni hanno dimostrato che, per catturare il 99,7% dei muoni, dovevano essere più aggressivi. Hanno deciso di attivare il veto se qualsiasi singolo settore rilevava un muone. Questa è una regola molto severa. Significa che se anche una minuscola barra di plastica sul tetto o sul pavimento viene colpita, l'intero sistema interrompe i rilevatori principali per una frazione di secondo. Il documento nota che questa severità comporta un costo: crea un "tempo morto" di circa il 18%. Ciò significa che l'esperimento è "cieco" per circa il 18% del tempo perché è impegnato a ignorare il rumore dei muoni. Tuttavia, il compromesso vale la pena perché riduce il rumore di fondo nell'intervallo di energia critico (intorno a 3 MeV) a un livello di circa 0,002 conteggi per keV per kg per anno. Questo livello di rumore estremamente basso è essenziale affinché l'esperimento abbia una possibilità di trovare il raro decadimento.

Testare il Sistema
Il team non si è limitato ai giochi al computer; ha costruito il sistema e lo ha testato nel vero laboratorio sotterraneo. Hanno installato le barre di plastica e l'elettronica e hanno eseguito una "prova generale" utilizzando due moduli di rilevamento ad alte prestazioni (presi in prestito da un esperimento precedente chiamato CUPID-Mo). Hanno raffreddato questi rilevatori a una temperatura più fredda dello spazio esterno (20 millikelvin) e li hanno osservati per centinaia di ore.

I risultati sono stati un successo. Il sistema ha operato stabilmente, con i sensori che scattavano ai ritmi previsti dalle simulazioni al computer. Quando hanno esaminato i dati, inizialmente hanno scoperto che il veto per i muoni aveva identificato e rifiutato circa il 71-75% degli eventi indotti dai muoni che altrimenti sarebbero sembrati il segnale che stavano cacciando. Tuttavia, hanno scoperto un piccolo guasto tecnico durante il test: un particolare "bit di trigger" nell'elettronica era stato temporaneamente disattivato. Una volta corretto questo problema, l'efficienza è balzata a circa l'85-90%, corrispondendo quasi perfettamente ai loro modelli al computer.

Cosa Significa
Il documento conclude che il sistema di veto per i muoni di CROSS è pronto per l'evento principale. Utilizzando una logica di trigger a "singolo settore" (dove ogni colpo conta), hanno costruito uno scudo capace di filtrare la stragrande maggioranza del rumore cosmico, anche se ciò significa che l'esperimento deve fare una pausa più spesso del solito. Questa configurazione consente all'esperimento CROSS di raggiungere i livelli di fondo ultra-bassi richiesti per la ricerca del decadimento beta senza neutrini. Il team ha dimostato che il loro "ombrello" funziona e ora sono fiduciosi che, quando l'esperimento completo sarà avviato, saranno in grado di ascoltare quel sussurro cosmico senza essere sommersi dalla pioggia.

Sintesi Tecnica: Sistema di Veto per Muoni per l'Esperimento di Ricerca del Doppio Decadimento Beta Zero della Collaborazione CROSS

Problematica
La collaborazione CROSS (Cryogenic Rare event Observatory with Surface Sensitivity) sta preparando un esperimento ad alta sensibilità per la ricerca del decadimento beta doppio neutro ( $0\nu\beta\beta$ ) del $^{100}$ Mo utilizzando rivelatori criogenici con lettura calore-scintillazione. L'esperimento si trova presso il Laboratorio Sotterraneo di Canfranc (LSC) in Spagna. Sebbene le strutture sotterranee profonde tipicamente sopprimano il flusso di muoni cosmici, la specifica topografia del sito LSC — in particolare una valle (Rioseta) con una profondità di roccia minima di circa 200 m — risulta in un flusso di muoni cosmici residui relativamente alto, di circa 20 $\mu$ /m $^2$ /h. Questo flusso crea un fondo dominante nella regione di interesse (ROI) attorno al valore $Q$ del decadimento del $^{100}$ Mo ( $\sim$ 3.0 MeV). Senza mitigazione, le particelle secondarie indotte da muoni sovrasterebbero il segnale, limitando la sensibilità dell'esperimento.

Metodologia
Per affrontare questo fondo, gli autori hanno progettato, costruito e validato un sistema di veto per muoni dedicato che circonda l'impianto criogenico CROSS. La metodologia ha previsto tre fasi primarie:

Progettazione e Costruzione del Sistema:
Il sistema di veto comprende nove settori: quattro laterali, uno superiore e quattro inferiori.

Settori Laterali e Inferiori: Costruiti con barre di polistirene scintillante (120 $\times$ 4 $\times$ 1 cm per i laterali; 52 $\times$ 4 $\times$ 1 cm per gli inferiori) accoppiate a Fotomultiplicatori al Silicio (SiPM). Sono disposti in 28 moduli per i settori laterali e 15 moduli per i settori inferiori.
Settore Superiore: Consiste in due grandi pannelli (100 $\times$ 50 $\times$ 1 cm) letti da Fotomultiplicatori (PMT) convenzionali.
Elettronica e DAQ: Il sistema utilizza una catena di elaborazione del segnale personalizzata che comprende amplificatori SiPM, schede discriminatrici e un'unità logica operante in modalità OR. Un controller Raspberry Pi gestisce le tensioni di polarizzazione e le soglie per ogni canale. La logica di trigger è stata ottimizzata per operare in due modalità: una coincidenza di due settori qualsiasi o un trigger a singolo settore. La strategia finale adottata utilizza un trigger a singolo settore per massimizzare la rigetto del fondo.

Simulazioni Monte Carlo (MC):
Utilizzando Geant4 v11.1, gli autori hanno simulato le interazioni dei muoni all'interno della geometria dell'allestimento CROSS. Le simulazioni hanno incorporato:

Distribuzioni angolari realistiche dei muoni basate sulle misurazioni LSC (con picco a un angolo zenitale di 40 $^\circ$ e azimut di 150 $^\circ$ ).
Calcoli della profondità obliqua (slant depth) tenendo conto del profilo della valle.
Spettri di energia iniziale derivati dai dati di superficie.
Tre geometrie di rivelatore: una torre di test a 10 cristalli, una torre CUPID-Mo a due moduli e l'intero array CROSS a 42 cristalli.
Le simulazioni miravano a validare l'efficienza del veto e a ottimizzare le soglie di energia per bilanciare il rigetto del fondo con il tempo morto (dead time).

Validazione Sperimentale:
Prima del pieno esperimento CROSS, il sistema è stato testato durante la "RUN 13" utilizzando due moduli CUPID-Mo ad alte prestazioni (LMO-5 e LMO-12) all'interno del criostato CROSS. Lo studio ha comportato:

Calibrazione delle soglie dei moduli di veto utilizzando una sorgente di $^{60}$ Co.
Caratterizzazione dei tassi di fondo nei moduli di veto per stabilire soglie di energia omogenee.
Misurazione delle coincidenze tra i rivelatori termici e il veto per muoni su 555 ore di dati di fondo.
Confronto tra i tassi di rigetto sperimentali e le previsioni MC.

Contributi Chiave e Risultati

Implementazione del Sistema: Il documento dettaglia la costruzione riuscita di un sistema di veto per muoni a 9 settori capace di rilevare i muoni con alta efficienza. Il sistema opera con un tasso medio di trigger stabile compatibile con le simulazioni MC.
Ottimizzazione della Logica di Trigger: Gli studi MC hanno dimostrato che una logica di trigger che richiede coincidenze tra due settori rigetta il 99.2% degli eventi indotti da muoni nella ROI. Tuttavia, una logica di trigger a singolo settore (che rigetta qualsiasi evento coincidente con uno dei nove settori) aumenta il rigetto al 99.7%.
Riduzione del Fondo: La strategia adottata a singolo settore introduce un tempo morto di circa il 18%. Nonostante ciò, il sistema riduce il fondo indotto da muoni nella ROI a $\sim$ 2 $\times$ 10 $^{-3}$ conteggi/keV/kg/anno. Questo livello è considerato accettabile per la ricerca ad alta sensibilità del $0\nu\beta\beta$ .
Validazione Sperimentale: Durante la fase di validazione con i moduli CUPID-Mo, il sistema di veto ha dimostrato un funzionamento stabile. Il rigetto sperimentale degli eventi simili a muoni ( $E > 3$ MeV) è stato misurato al 71% (corretto all'85% tenendo conto di un problema temporaneo del DAQ), il che si allinea bene con la previsione della simulazione dell'88%. Per gli eventi $E > 10$ MeV, il rigetto sperimentale è stato del 75% (corretto al 90%), corrispondendo all'89% della simulazione.
Prestazioni del Rivelatore: La fase di validazione ha confermato che l'impianto criogenico CROSS può operare i moduli CUPID-Mo con risoluzioni energetiche di $\sim$ 6–7 keV FWHM a 2615 keV, comparabili alle loro prestazioni nell'allestimento EDELWEISS.

Significatività
Il documento stabilisce che un sistema di veto per muoni è essenziale per il successo dell'esperimento CROSS presso il Laboratorio Sotterraneo di Canfranc a causa delle specifiche restrizioni geologiche del sito. Implementando una logica di trigger a singolo settore, la collaborazione ottiene un indice di fondo sufficientemente basso da procedere con una ricerca competitiva del decadimento $0\nu\beta\beta$ nel $^{100}$ Mo. Il lavoro valida la progettazione, la costruzione e l'operatività del sistema di veto e conferma, attraverso sia la simulazione che i dati sperimentali, che il sistema può efficacemente sopprimere i fondi indotti da muoni al livello richiesto, nonostante il tempo morto associato. Questa validazione fornisce fiducia per il commissioning dell'intero array di rivelatori CROSS a 42 cristalli.

La Pioggia Cosmica e la Ricerca Silenziosa

Catturare i Fantasmi: Il Nuovo Scudo dell'Esperimento CROSS

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