Bolometro scintillante a base di ZnO: un nuovo strumento per la ricerca sul decadimento beta doppio

Studi recenti hanno messo in luce un tipo di rivelatore noto come bolometro scintillante a base di ZnO. Questo dispositivo è usato per cercare processi rari in certi isotopi di zinco. In questo articolo parleremo delle prestazioni di questo rivelatore, di come funziona e del suo potenziale per esperimenti futuri mirati al decadimento beta doppio negli isotopi di zinco.

#Cos'è un Bolometro Scintillante?

Un bolometro scintillante è un rivelatore specializzato. Combina due funzioni: rileva il calore e la luce emessi da certi materiali quando interagiscono con le particelle. La scintillazione si riferisce al lampo di luce prodotto quando particelle energetiche colpiscono un materiale. Un bolometro misura il calore generato da questa interazione.

Nel nostro caso, stiamo usando un cristallo di ossido di zinco (ZnO) per questo scopo. Il cristallo di ZnO è significativo perché contiene una percentuale alta di zinco. Specificamente, il nostro rivelatore ha oltre l'80% di zinco in massa.

#Prestazioni del Rivelatore ZnO

Un rivelatore ZnO da 7,2 grammi è stato valutato per le sue capacità. Ha mostrato risultati promettenti, con una risoluzione energetica che varia da 1,0 a 2,7 keV sotto diverse condizioni di temperatura. Questa alta sensibilità permette al rivelatore di operare con una soglia di energia bassa, che è fondamentale per studiare processi che rilasciano piccole quantità di energia, come il decadimento beta doppio.

Il dispositivo ha anche la capacità di misurare la luce prodotta durante le interazioni, con un rendimento luminoso di 1,5 keV per MeV per certi tipi di eventi. Per altri tipi di particelle, il rendimento luminoso variava da 0,2 a 3,0 keV per MeV.

#Sfide nella Rilevazione della Radioattività

Prima di considerare esperimenti con il rivelatore ZnO, dobbiamo valutare la Purezza del cristallo per assicurarci che abbia una radioattività di fondo minima. La purezza è stata testata usando attrezzature specializzate, che hanno trovato che i livelli di contaminazione radioattiva da certi elementi, come il potassio-40 e il cesio-137, erano bassi.

La radioattività interna totale del cristallo di ZnO è stata determinata in 22 mBq/kg. Questo valore è accettabile per condurre esperimenti, ma si raccomanda di affinare ulteriormente la purezza del cristallo per raggiungere livelli di fondo ancora più bassi.

#L'importanza della Ricerca sul Decadimento Beta Doppio

Capire il decadimento beta doppio è essenziale nel campo della fisica delle particelle. Questo processo coinvolge la trasformazione di un nucleo, il che può fornire informazioni sulle proprietà dei neutrini. Pertanto, rilevare il decadimento beta doppio ha implicazioni per comprendere le forze fondamentali della natura e il potenziale per scoprire fisica oltre i nostri modelli attuali.

Attualmente, lo zinco ha due isotopi-Zn64 e Zn70-che si crede possano subire decadimento beta doppio. Zn64 è particolarmente interessante perché ha un'abbondanza naturale relativamente alta del 48%. Questa abbondanza rende fattibile condurre esperimenti senza la necessità di arricchimento isotopico costoso.

#Setup dell'Esperimento

Nell'esperimento, il rivelatore ZnO è stato testato in un ambiente a bassa temperatura per ridurre al minimo qualsiasi rumore che potesse interferire con la rilevazione di processi rari. L'impostazione era situata in un laboratorio progettato per proteggere l'esperimento dalle radiazioni esterne, che potrebbero offuscare i risultati.

Durante i test, il rivelatore ZnO è stato esposto a varie fonti di Radiazione per valutarne la risposta. Questo ha incluso posizionare una fonte di uranio nelle vicinanze per simulare potenziali eventi di interesse.

#Come Funziona il Rivelatore

Il bolometro scintillante di ZnO opera registrando due tipi di segnali: calore e luce. Quando una particella interagisce con il cristallo, produce sia un segnale di calore che un lampo di luce. Questi segnali vengono quindi misurati per capire l'energia e il tipo di particella che ha causato l'interazione.

Una delle caratteristiche notevoli del rivelatore ZnO è la sua capacità di differenziare tra diversi tipi di eventi utilizzando le proprietà temporali dei segnali di calore. Questo significa che può distinguere tra segnali causati da particelle alfa e quelli causati da altri tipi di particelle come le beta.

#Risultati dall'Esperimento

Dopo aver eseguito test per un totale di 271 ore, i risultati hanno mostrato chiari segni di certi eventi di decadimento radioattivo attesi. Tuttavia, la sensibilità complessiva per rilevare processi di decadimento beta doppio era ancora meno ottimale rispetto agli esperimenti di punta nel campo.

Sebbene i risultati fossero promettenti, hanno evidenziato la necessità di ulteriori affinamenti. Aumentare la massa del cristallo di ZnO, migliorare la purezza dei materiali utilizzati e condurre esperimenti in un ambiente sotterraneo sono tutte strategie che potrebbero migliorare la sensibilità dei futuri studi.

#Direzioni Future

L'indagine attuale sul bolometro scintillante a base di ZnO è un passo verso una migliore comprensione del decadimento beta doppio negli isotopi di zinco. Con ulteriori lavori, c'è potenziale per migliorare significativamente la sensibilità sperimentale.

Sono stati discussi piani per esperimenti su larga scala utilizzando un cristallo di ZnO da 10 kg. Se avessero successo, questi esperimenti potrebbero offrire importanti intuizioni sui processi di decadimento beta doppio.

#Conclusione

Lo studio dei Bolometri scintillanti a base di ZnO rivela il loro potenziale nella ricerca di processi rari come il decadimento beta doppio. La combinazione di alto contenuto di zinco e capacità di rilevazione efficace rende questa tecnologia interessante per la ricerca futura.

Affinando il processo di produzione del cristallo e conducendo esperimenti in ambienti controllati, gli scienziati potrebbero un giorno scoprire nuovi aspetti della fisica delle particelle tramite questi rivelatori innovativi. Il viaggio di esplorazione dei misteri del decadimento beta doppio nello zinco è appena iniziato e il bolometro scintillante a base di ZnO potrebbe svolgere un ruolo fondamentale in questa avventura scientifica.