GERDA wyznacza nowe granice na ekstremalnie rzadki rozpad jądrowy

Neutrina są najbardziej nieuchwytnymi cząstkami elementarnymi charakteryzującymi się bardzo specyficznymi właściwościami. Na przykład oddziałują niezwykle słabo z materią, teoretycznie dopuszcza się, iż są swoimi własnymi antycząstkami. Jak dotąd cecha ta nie została jednak potwierdzona doświadczalnie, mimo że nasza wiedza o neutrinach bardzo się wzbogaciła w ciągu ostatnich 60-ciu lat. W wyniku zakończenia pierwszej fazy eksperyment GERDA, fizycy uzyskali nowe ograniczenie na tak zwany podwójny bezneutrinowy rozpad beta, który jest jedynym testem pozwalającym stwierdzić czy neutrina są swoimi antycząstkami. Otrzymane wyniki mają istotne znaczenie dla kosmologii, astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych. Wnoszą także nowe informacje na temat masy neutrina.

Oprócz fotonów neutrina są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Ze względu na niezwykle słabe oddziaływanie z materią często określane są mianem „cząstek-duchów". Neutrina, mimo iż są praktycznie niewidoczne, stanowią bardzo ważny budulec Wszechświata, którego łączna masa może dorównywać całkowitej masie wszystkich innych znanych form materii. Ponadto poruszają się one z prędkościami niewiele mniejszymi od prędkości światła pokonując ogromne dystanse. Znikoma masa neutrin ma także bardzo ważne konsekwencje dla struktury Wszechświata oraz wybuchów Supernowych. Jednakże najważniejszą i najbardziej zadziwiającą cechę neutrin zapostulował w latach trzydziestych ubiegłego wieku włoski fizyk Ettore Majorana: w przeciwieństwie do wszystkich innych cząstek elementarnych neutrino miałoby być swoją własną antycząstką.

Celem eksperymentu GERDA (GERmanium Detector Array) prowadzonego w podziemnym laboratorium w Gran Sasso (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) należącym do Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) we Włoszech jest określenie natury neutrina (cząstka Diraca czy Majorany) oraz wyznaczenie jego masy. GERDA poszukuje tak zwanego podwójnego rozpadu beta izotopu Ge-76 zachodzącego z emisją i bez emisji neutrin. W tym drugim przypadku neutrino musiałoby być cząstką Majorany. W normalnym rozpadzie beta neutron znajdujący się w jądrze atomowym rozpada się na proton, któremu towarzyszy elektron i antyneutrino elektronowe. Rozpad beta jądra Ge-76 nie może zajść ze względu na zasadę zachowania energii. Jednak równoczesna konwersja dwóch neutronów jest możliwa i proces taki został zarejestrowany w detektorze GERDA. Jest to jeden z najrzadszych rozpadów jaki kiedykolwiek zaobserwowano. Pomiary wykonano z bardzo duża precyzją wyznaczając czas połowicznego zaniku Ge-76 ze względu na rozpad z emisją dwóch neutrin, na poziomie 2·10²¹ lat. Jest to okres czasu ponad 100 miliardów razy dłuższy od wieku Wszechświata.  Jeżeli neutrino byłoby cząstką Majorany to także powinien zachodzić podwójny rozpad bezneutrinowy lecz z jeszcze mniejszym prawdopodobieństwem. W takim przypadku antyneutrino powstałe w jednym rozpadzie, powinno zostać zaabsorbowane przez drugi rozpadający się neutron jako neutrino. Byłoby to możliwe tylko wtedy, gdyby neutrino i antyneutrino były cząstkami identycznymi.

W eksperymencie GERDA kryształy germanowe są zarówno źródłem jak i detektorem podwójnego rozpadu beta. Abundancja Ge-76 w naturalnym germanie wynosi około 8 %, dlatego też zastosowany materiał należało najpierw wzbogacić w Ge-76 do ponad 80 %. Poszukiwanie przysłowiowej igły w stogu siana jest dziecinną zabawą w porównaniu z detekcją podwójnego rozpadu beta, głównie ze względu na wszechobecną naturalną promieniotwórczość - rozpady naturalnych radioizotopów są ponad miliard razy częstsze. Dlatego też detektory zastosowane w projekcie GERDA wraz z otaczającymi je materiałami zostały bardzo starannie wyselekcjonowane. Rejestracja niezwykle rzadkich procesów wymaga ponadto zastosowania wyrafinowanych technik analizy danych, aby wyeliminować zaburzające pomiar sygnały pochodzące np. od promieniowania kosmicznego, czy od samego eksperymentu. Fizycy osiągnęli zamierzony cel poprzez umieszczenie detektorów germanowych w centrum ogromnego kriostatu wypełnionego ultraczystym ciekłym argonem. Sam kriostat, którego wewnętrzne ściany wyłożono dodatkowo wolną od radioizotopów miedzią, umieszczony jest w zbiorniku (średnica 10 m) napełnionym ultraczystą wodą. Detektor GERDA zainstalowany jest w podziemnym laboratorium, nad którym znajduje się 1400 m skał. Stosując wymienione wyżej innowacje oraz pionierskie techniki udało się zredukować tło eksperymentu do nieosiągalnego dotychczas poziomu.

Zbieranie danych eksperymentalnych z wykorzystaniem ośmiu detektorów, każdy wielkości niewielkiej puszki o masie około 2 kg, rozpoczęło się jesienią 2011. W kolejnych miesiącach dodano 5 nowych kryształów. Przedział energii w widmie, w którym oczekiwany jest sygnał od podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, nie był dostępny dla badaczy do połowy czerwca 2013. Naukowcy koncentrowali się wyłącznie na optymalizacji procedur analizy danych. Po zgromadzeniu danych odpowiadających 21 kg∙rok (równoważnik rocznego pomiaru z łączną masą detektorów równą 21 kg) zakończono pierwszą fazę eksperymentu. W wyniku analizy, dla której metodologia postępowania została ustalona wcześniej, przed udostępnieniem danych z interesującego przedziału energii, stwierdzono brak sygnału od podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu Ge-76 co umożliwiło obliczenie dolnej granicy czasu połowicznego zaniku Ge-76 ze względu na ten rozpad na poziomie 2.1·10²⁵ lat. Jest to jak dotąd najwyższa uzyskana wartość. Uwzględniając wyniki innych eksperymentów, osiągnięcie Współpracy GERDA pozwala wykluczyć wcześniejsze doniesienie o obserwacji sygnału. Wynik uzyskany w eksperymencie GERDA wnosi ponadto niezwykle ważne informacje na temat masy neutrina oraz ma bardzo ciekawe konsekwencje dla rozszerzeń modelu standardowego cząstek elementarnych, opisu procesów astrofizycznych i kosmologii.

W kolejnym etapie eksperymentu GERDA efektywna masa izotopu Ge-76 zostanie praktycznie podwojona poprzez dodanie nowych detektorów germanowych. Faza druga projektu rozpocznie się po zaimplementowaniu kolejnych technik, które pozwolą na dalszą redukcję tła.

W ramach eksperymentu GERDA fizycy z Zakładu Doświadczalnej Fizyki Komputerowej (ZDFK) z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, zajmują się problemami redukcji tła pochodzącego od naturalnej promieniotwórczości oraz softwarową analizą danych. Opracowaliśmy nowe, oparte o sieci neuronowe, bardzo skuteczne procedury identyfikacji rozpadów promieniotwórczych na podstawie kształtów rejestrowanych impulsów. Grupa z ZDFK wniosła także duży wkład w opracowanie, konstrukcję i eksploatację detektora LArGe (Liquid Argon and Germanium), który wykorzystywany jest do testów nowych technik minimalizacji tła detektorów germanowych z wykorzystaniem scyntylacji ciekłego argonu. Udział polskiej grupy w projekcie GERDA możliwy jest dzięki funduszom pozyskanym z Narodowego Centrum Nauki w ramach programu HARMONIA. Doktoranci wspierani są także przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej (program Międzynarodowe Studia Doktoranckie).

GERDA jest projektem europejskim, zrzeszającym naukowców z 16 instytutów badawczych i uniwersytetów z Niemiec, Włoch, Rosji, Polski, Szwajcarii i Belgii. Zaangażowane w projekt jednostki to: Instytut Fizyki Jądrowej im. Maksa Plancka w Heidelbergu, Instytut Fizyki im. Maksa Plancka oraz Politechnika w Monachium, uniwersytety w Tybindze, Dreźnie, Zurychu oraz Uniwersytet Jagielloński w Krakowie, INFN LNGS w Gran Sasso, INFN w Mediolanie-Biccoca, INFN w Padwie, INR, ITEP i Instytut Kurczatowa w Moskwie, JINR w Dubnej oraz IRMM w Geel. Eksperyment GERDA finansowany jest przez Stowarzyszenie Maksa Planka w Niemczech (MPG), Ministerstwo Edukacji i Badań w Niemczech (BMBF), Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej we Włoszech (INFN), Fundację na Rzecz Badań w Niemczech (DFG), Narodowe Centrum Nauki w Polsce (NCN), Rosyjską Fundację Badań Podstawowych (RFBR) i Narodową Fundację Badań w Szwajcarii (SNF). Grupy badawcze biorące udział w eksperymencie wspierane są także przez macierzyste jednostki. Zespół GERDA dziękuje za wsparcie i pomoc w realizacji projektu dyrekcji oraz personelowi LNGS.

Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) we Wloszech, gdzie realizowany jest eksperyment GERDA.
Na zdjęciach po lewej stronie uwidoczniono infrastrukturę instytutu znajdującą się na powierzchni
oraz szczyt Corno Grande, pod którym wydrążono podziemne laboratoria:
trzy duże hale wraz z łączącymi je korytarzami.
Ich schemat pokazany jest po prawej stronie wraz z umiejscowieniem realizowanych tam projektów.
Do laboratorium wjeżdża się z tunelu autostrady A24.

Serce eksperymentu GERDA: trzy z ośmiu wzbogaconych detektorów koaksjalnych (po lewej)
oraz pięć detektorów typu BEGe (po prawej) wykorzystywanych w pierwszej fazie eksperymentu.

Strona eksperymentu GERDA

Polska strona eksperymentu GERDA