Development of a 10 mol% Rubidium-doped CsI Crystal for Rb Beta-Spectroscopy and Sterile Neutrino Searches
本文报道了一种新型 10 mol% 铷掺杂 CsI 闪烁晶体的开发与表征，该晶体利用内源性 Rb β 衰变来实现高效的“源在探测器中”光谱学技术，用于研究禁戒 β 衰变机制并寻找 keV 级惰性中微子。
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在亚原子世界的深处，某些原子是不稳定的，它们通过转化为其他元素来寻求稳定性，这一过程被称为放射性衰变。铷-87就是这样一种原子，它是一个安静但持久的旅行者，通过释放一个微小的、快速移动的电子，缓慢地转变为锶-87。这种特定的转化之所以不同寻常，是因为它被最简单的物理规则视为“禁戒”的，这意味着它发生得非常缓慢，并遵循一条复杂的路径，科学家们数十年来一直在研究这条路径，以理解原子核内部的基本力。除了绘制这种原子变化的变化图之外，这些电子释放的方式还可能是一个更大谜团的关键：即被称为“惰性中微子”的不可见粒子的存在。这些假设中的粒子被认为是暗物质的一种形式，如果它们存在，它们会在电子的能量上留下一个微小的、具有指示意义的痕迹，就像平滑曲线上的一个细微折痕。为了寻找这个痕迹，研究人员需要一种能够极其精确地捕捉这些电子，且不会使其损失任何能量的探测器。
一个研究小组开发了一种新型晶体探测器，专门用于解决这个问题。他们生长出了一种由碘化铯制成的大型透明晶体，这种材料在受到辐射撞击时会发出闪光，并且他们特意在晶体中掺入了大量的铷。通过将放射性铷直接嵌入晶体内部，科学家们创造了一种源与探测器合二为一的装置。这种“源在探测器内”的方法确保了来自衰变的低能电子被立即捕获，在被测量之前不会因空气或容器壁而损失能量。该团队使用一种将熔融材料通过温度梯度缓慢拉出的方法来生长这些晶体，使原子能够排列成一个固体、连贯的整体。他们测试了两个版本：一个仅含有铷，另一个则在铷的同时加入了极少量的铊，以观察是否能提高晶体的性能。
结果揭示了两种材料之间引人入胜的差异。仅含有铷的晶体表现出一种分裂的状态，产生两种截然不同的闪光类型。一些闪光明亮且缓慢，表明铷正按预期工作；而另一些闪光则暗淡且快速，其行为与纯碘化铯完全一致。这表明铷并未在晶体中完美混合，留下了一些未能参与预期反应的区域。然而，当研究人员加入少量的铊时，晶体发生了彻底的变化。它产生了一种单一、均匀的闪光类型，这种闪光更加明亮且一致。铊起到了稳定器的作用，确保整个晶体以相同的方式做出响应，这对于获得电子能量的准确测量至关重要。研究发现，添加了铊的新型晶体在将电子能量转化为可探测光方面的效率，比仅含铷的晶体高出三倍以上。
利用这种改进后的晶体，团队在一种旨在阻挡外界干扰的液体中，对铷发射的电子能量谱进行了为期五小时的测量。他们仔细分析了数据的形状，以理解这种衰变的复杂物理过程，并寻找重惰性中微子的特征信号。他们的测量证实了预期的衰变行为，提供了描述电子能量分布的精确数值。当他们专门寻找指示重惰性中微子的“折痕”时，并未在数据中发现此类畸变。基于缺乏证据这一事实，他们计算出，如果这种粒子存在于特定的质量范围内，那么它在中微子混合中的占比必然极小，远低于本次实验所能探测到的水平。虽然这一结果并不能证明惰性中微子不存在，但它为这类粒子与已知中微子的混合程度设定了一个严格的限制。研究人员计划在更深的地下使用规模更大的探测器重复这项实验，以收集更多数据并减少背景噪声，希望能够找到这种难以捉摸的粒子，或者以更高的确定性将其排除在外。
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