XENON1T observa la captura doble beta de dos electrones con emisión de dos neutrinos

El futuro de los detectores directos de materia oscura actuales será estudiar la física de los neutrinos. La captura de dos electrones de la capa K (n=1) por el núcleo de un átomo transforma dos de sus protones en dos neutrones emitiendo dos neutrinos, proceso 2νECEC dado por (A, Z) + 2e → (A, Z−2) + 2ν, mediado por un bosón W+; el átomo excitado se relaja rellenando la capa K vacía con dos electrones de las capas superiores (n>1), con emisión de rayos X y electrones (llamados de Auger). El detector de materia oscura XENON1T ha observado a 4.4 sigmas el proceso 2νECEC en xenón-124 estimando su vida media en (1.8 ± 0.5) × 1022 años. La mejor estimación hasta el momento.

Este resultado de XENON1T será útil en el estudio de la desintegración doble beta sin neutrinos (proceso 0νββ) en experimentos como el español NEXT, que también usan xenón y trata de discernir si los neutrinos son partículas de Dirac o de Majorana. Te recuerdo que XENON1T está en el Laboratorio Subterráneo de Gran Sasso (LNGS), Italia, a unos 150 kilómetros al este de Roma. XENON1T contiene 3.2 toneladas de xenón líquido (LXe) ultrapuro, siendo su objetivo la búsqueda directa de partículas WIMP de materia oscura con masas entre 6 GeV/c² y 1 TeV/c² (LCMF, 01 jun 2018). XENON1T ha observado el proceso 2νECEC gracias a que posee detectores de rayos X para observar los emitidos cuando el xenón-124 (Z=54) se transforma en telurio-124 (Z=52).

El artículo (que ha sido portada de Nature) es XENON Collaboration, «Observation of two-neutrino double electron capture in 124Xe with XENON1T,» Nature 568: 532–535 (25 Apr 2019), doi: 10.1038/s41586-019-1124-4arXiv:1904.11002 [nucl-ex]. El resultado de XENON1T se ha comparado con los de XMASS Collaboration, «Improved search for two-neutrino double electron capture on 124Xe and 126Xe  using particle identification in XMASS-I,» Progress of Theoretical and Experimental Physics (PTEP) 2018: 053D03 (May 2018), doi: 10.1093/ptep/pty053arXiv:1801.03251 [nucl-ex], y con los de XENON Collaboration, «Search for two-neutrino double electron capture of 124Xe with XENON100,» Physcial Review C 95: 024605 (30 May 2018), doi: 10.1103/PhysRevC.95.024605arXiv:1609.03354 [nucl-ex].

Esta figura es el resultado principal del artículo, la medida de la vida media del proceso  2νECEC por XENON1T (línea azul continua), con las bandas de incertidumbre a una sigma (color verde) y a dos sigmas (color verde claro). Se compara con los resulatods de XMASS (línea amarilla a trazos) y de XENON100 (línea roja a trazos). En horizontal se presentan varias estimaciones teóricas obtenidas mediante la aproximación de cuasipartículas de fase aleatoria, QRPA (2013) y QRPA (2015), así como mediante una teoría efectiva, ET (2018), y el modelo de capas para el núcleo, NSM (2018). El acuerdo con el método teórico más preciso, QRPA (2015), es excelente.

Como muestra la figura superior se ha observado un exceso de N = 126 ± 29 sucesos 2νECEC para el xenón-124 sobre el fondo previsto (línea roja a trazos). Su energía está centrada en (64.3 ± 0.6) keV siendo la resolución en energía del detector de σ/μ = (4.1 ± 0.4)%, donde μ es la energía y σ es la anchura del exceso (pico). También se ha observado un exceso de N = 9 ± 7 sucesos 2νECEC para el yodo-125 (figura inferior). Por cierto, el 125I es debido a la activación del 124Xe durante la fase de calibración del detector usando neutrones, que duró unos pocos días después del rellenado del tanque de LXe.

Los datos se tomaron entre el 2 de febrero de 2017 y el 8 de febrero de 2018; para la reconstrucción del fondo se usaron 214.3 días de toma de datos. Se usó un análisis ciego de los datos (los investigadores no podían ajustar el fondo en la banda de energía de interés, entre 56 keV y 72 keV), para evitar sesgos. Tras desvelar la zona cegada e incorporar el análisis del 125I se realizó una reducción adicional de los datos al equivalente a 177.7 días (valor usado en la estimación final). Los interesados en más detalles técnicos sobre el análisis y el experimento pueden consultar el artículo.



3 Comentarios

  1. Que raro es el universo . para Que los electrones en el caso de las estrellas de neutrones puedan ser capturados por los protones tienen que generarse presiones colosales que no se logran por ejemplo ni en el núcleo de nuestro sol , sin embargo en el caso mencionado en esta entrada por el profesor Francis se logra sin mayor esfuerzo el suceso .

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 abril, 2019
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