Development of a 10 mol% Rubidium-doped CsI Crystal for Rb Beta-Spectroscopy and Sterile Neutrino Searches
Questo articolo riporta lo sviluppo e la caratterizzazione di un nuovo cristallo scintillatore di CsI drogato con il 10 % in mol di rubidio, che utilizza il decadimento beta intrinseco del Rb per consentire la spettroscopia della sorgente nel rivelatore ad alta efficienza per investigare i meccanismi di decadimento beta proibiti e la ricerca di neutrini sterili su scala keV.
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Nel profondo del mondo subatomico, certi atomi sono instabili e cercano la stabilità trasformandosi in altri elementi, un processo noto come decadimento radioattivo. Uno di questi atomi, il rubidio-87, è un viaggiatore silenzioso ma persistente che si trasforma lentamente in stronzio-87 rilasciando un piccolo elettrone veloce. Questa specifica trasformazione è insolita perché è "proibita" dalle regole più semplici della fisica, il che significa che avviene molto lentamente e segue un percorso complesso che gli scienziati studiano da decenni per comprendere le forze fondamentali all'interno del nucleo. Oltre a mappare questo cambiamento atomico, il modo in cui questi elettroni vengono rilasciati detiene una potenziale chiave per un mistero molto più grande: l'esistenza di particelle invisibili chiamate neutrini sterili. Queste particelle ipotetiche si pensa siano una forma di materia oscura e, se esistono, lascerebbero un piccolo segno rivelatore sull'energia degli elettroni, come un sottile incavo in una curva regolare. Per trovare questo segno, i ricercatori hanno bisogno di un rilevatore in grado di catturare questi elettroni con estrema precisione, senza perdere alcuna parte della loro energia lungo il percorso.
Un team di ricercatori ha sviluppato un nuovo tipo di rivelatore a cristallo progettato specificamente per risolvere questo problema. Hanno fatto crescere un grande cristallo trasparente di ioduro di cesio, un materiale che emette lampi di luce quando colpito dalla radiazione, e hanno deliberatamente mescolato una quantità significativa di rubidio nel cristallo stesso. Incorporando il rubidio radioattivo direttamente all'interno del cristallo, gli scienziati hanno creato una configurazione in cui la sorgente degli elettroni e il rilevatore sono la stessa cosa. Questo approccio "sorgente-nel-rilevatore" assicura che i bassi elettroni dell'energia del decadimento vengano catturati immediatamente, senza perdere energia nell'aria o nelle pareti del contenitore prima di poter essere misurati. Il team ha fatto crescere questi cristalli utilizzando un metodo che estrae lentamente il materiale fuso attraverso un gradiente di temperatura, permettendo agli atomi di disponersi in un blocco solido e coerente. Hanno testato due versioni: una con solo rubidio e un'altra con una piccola quantità di tallio aggiunta insieme al rubidio per vedere se migliorava le prestazioni del cristallo.
I risultati hanno rivelato una differenza affascinante tra i due materiali. Il cristallo contenente solo rubidio si è comportato in modo scisso, producendo due tipi distinti di lampi di luce. Alcuni lampi erano luminosi e lenti, mostrando che il rubidio stava funzionando come previsto, mentre altri erano deboli e veloci, comportandosi esattamente come lo ioduro di cesio puro senza il rubidio. Ciò suggeriva che il rubidio non fosse perfettamente mescolato in tutto il cristallo, lasciando alcune aree che non partecipavano alla reazione desiderata. Tuttavia, quando i ricercatori hanno aggiunto la piccola quantità di tallio, il cristallo è cambiato completamente. Ha prodotto un tipo di lampo di luce singolo e uniforme, molto più luminoso e costante. Il tallio ha agito come un stabilizzatore, assicurando che l'intero cristallo rispondesse nello stesso modo, il che è fondamentale per ottenere una misurazione accurata dell'energia dell'elettrone. Il nuovo cristallo con tallio è risultato essere più di tre volte più efficiente nel convertire l'energia degli elettroni in luce rilevabile rispetto al cristallo con solo rubidio.
Utilizzando questo cristallo migliorato, il team ha misurato lo spettro energetico degli elettroni emessi dal rubidio durante un periodo di cinque ore, mentre il rilevatore era immerso in un liquido progettato per bloccare le interferenze esterne. Hanno analato attentamente la forma dei dati per comprendere la complessa fisica del decadimento e per cercare la firma di un neutrino sterile pesante. Le loro misurazioni hanno confermato il comportamento atteso del decadimento, fornendo numeri precisi che descrivono come gli elettroni siano distribuiti in energia. Quando hanno cercato specificamente l'"incavo" che indicherebbe un neutrino sterile pesante, non hanno trovato tale distorsione nei dati. Sulla base di questa mancanza di evidenza, hanno calcolato che se tale particella esiste con una specifica massa, la sua presenza nella miscela di neutrini deve essere estremamente piccola, ben al di sotto del livello che potevano rilevare con questo esperimento. Sebbene questo risultato non provi che i neutrini sterili non esistano, stabilisce un limite rigoroso su quanto potrebbero essere mescolati con i neutrini noti. I ricercatori intendono ripetere questo esperimento con un rilevatore molto più grande situato nel sottosuolo per raccogliere più dati e ridurre il rumore di fondo, sperando di trovare la elusiva particella o di escluderla con una certezza ancora maggiore.
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