W ostatnim numerze czasopisma Nature opublikowany został artykuł zespołu GERDA, w którym omówiono wyniki dotychczasowych poszukiwań podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta (0νββ) izotopu germanu ⁷⁶Ge. Opisane badania prowadzone są w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech. Członkami tego międzynarodowego zespołu, ze strony Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego, są: prof. Marcin Wójcik, mgr Nikodem Frodyma, dr Marcin Misiaszek, mgr Krzysztof Panas, dr Krzysztof Pelczar oraz dr Grzegorz Zuzel.

Celem badań prowadzonych w Gran Sasso jest udzielenie odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania współczesnej fizyki: czym dokładnie są neutrina?  Czy za ich pomocą można rozstrzygnąć o właściwościach materii i antymaterii? Wiele rozszerzeń modelu standardowego cząstek czyni neutrina odpowiedzialnymi za dominację materii nad antymaterią we Wszechświecie (zakładając że są one swoimi własnymi antycząstkami).

Każda cząstka elementarna posiada odpowiadającą jej antycząstkę. Te, które tworzą parę cząstka-antycząstka mają identyczną masę, ale przeciwne ładunki elektryczne. „Kiedy cząstka elementarna spotyka swoją antycząstkę, to ulegają one anihilacji – obydwie znikają, a ich całkowita energia pojawia się pod inną postacią. Uważa się, że Wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu zawierał niewielkie, ale równe ilości materii i antymaterii. Z upływem czasu oba rodzaje cząstek powinny, oddziałując wzajemnie, systematycznie anihilować, przekształcając swoje masy w energię” – wyjaśnia prof. Marcin Wójcik. W chwili obecnej obserwujemy jednak Wszechświat zbudowany jedynie z materii. Jak zatem wyjaśnić nadmiar materii nad antymaterią?

Przyjmuje się, że na wczesnym etapie powstawania Wszechświata zarówno neutrina, jak i antyneutrina posiadły swoich odpowiednio ciężkich partnerów. W wyniku procesów zachodzących między różnymi cząstkami i łamiących niektóre zasady symetrii, dochodziłoby do  stworzenia nadwyżki materii nad antymaterią. Wszystkie te procesy musiałby mieć jednak miejsce już w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu.

Rozpad beta (β) jest jednym ze sposobów rozpadu jądra atomowego. W naszym otoczeniu występuje wiele pierwiastków promieniotwórczych podlegających temu procesowi, jak choćby wszechobecny izotop potasu ^₄₀K z okresem połowicznego rozpadu (czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę) rzędu 10⁹ lat, będący zawsze domieszką naturalnego potasu, pierwiastka niezbędnego w procesach zachodzących w żywych  komórkach. Innym przykładem jest  węgiel ¹⁴C (z półokresem rozpadu rzędu 10³ lat), używany w technice datowania niektórych obiektów archeologicznych.

Obecnie znanych jest 10 izotopów promieniotwórczych podlegających niezwykle rzadkiemu podwójnemu rozpadowi beta (ββ). Jednym z nich jest german ⁷⁶Ge z półokresem rozpadu rzędu 10²¹ lat. Im dłuższy półokres rozpadu, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo przemiany danego izotopu, a więc zachodzi ona rzadziej. „Mówimy tu o ogromnych liczbach – okres połowicznego rozpadu beta ⁷⁶Ge jest bilion razy większy od wieku Ziemi. Mimo to proces ten jest rejestrowany bez trudu w eksperymencie GERDA, co wskazuje na nieprawdopodobną czułość stosowanych przez nas detektorów” – podkreśla prof. Wójcik.

Wykrycie bezneutrinowego rozpadu beta, oznaczanego jako 0vββ, wymaga układu detekcyjnego o ekstremalne niskim, najlepiej zerowym tle (tłem nazywane są zdarzenia niepożądane, często nieodróżnialne od zdarzeń poszukiwanych, które wywołane są w innych procesach, są to swoistego rodzaju zakłócenia). „GERDA jest pierwszym, i jak do tej pory jedynym eksperymentem dedykowanym badaniom podwójnego rozpadu beta, w którym, w założonym czasie pracy, nie powinno zostać zaobserwowane żadne zdarzenie tła. Wynik ten udało się nam uzyskać m.in. dzięki wykorzystaniu ultra-czystego ciekłego argonu jako bardzo dobrej osłony pasywnej oraz jako aktywnego veta, a także znakomitej energetycznej zdolności rozdzielczej detektorów germanowych” – mówi dr Grzegorz Zuzel. Tak znakomite rezultaty są wynikiem szeregu opracowanych i wdrożonych przez zespół GERDA eksperymentalnych metod redukcji tła, zastosowania oryginalnych metod analizy danych oraz wprowadzenia kilku nowatorskich rozwiązań technicznych. Rozwój metod doświadczalnych wypracowanych w ramach eksperymentu GERDA kontynuowany będzie w projekcie LEGEND, którego współtwórcami są również fizycy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Rejestracja podwójnego bezneutrinowego rozpadu betap będzie prawie równoważna z odkryciem nowej cząstki elementarnej. Tego typu odkrycie byłoby co najmniej tak doniosłe jak odkrycie bozonu Higgsa, za które to osiągnięcie przyznano w ostatnich latach Nagrodę Nobla. Zagadnienia podejmowane przez zespół GERDA dotyczą więc zupełnie fundamentalnych problemów współczesnej fizyki. Stwierdzenie braku występowania 0vββ (wyznaczenie odpowiednio dużej dolnej granicy na czas połowicznego rozpadu) byłby również niezwykle cenne – pozwoliłby bowiem na określenie np. hierarchii mas neutrin, na której opartych jest wiele modeli ewolucji Wszechświata.

Kolejne zebranie wszystkich uczestników eksperymentu odbędzie się w Instytucie Fizyki UJ w czerwcu, w czasie którego opublikowane zostaną nowe wyniki prowadzonych ciągle pomiarów – być może tym razem wynik nie będzie zerowy.

Zapraszamy do zapoznania się z artykułami dotyczącymi powyższej notatki:

Nature: Background-free search for neutrinoless double-β decay of ⁷⁶Ge with GERDA

PAP Nauka w Polsce: Cierpliwie czekając na nową cząstkę: neutrino Majorany