Majorana demonstrator

Studiul neutrinilor ar putea contribui la descifrarea misterul dispariţiei antimaterie din univers imediat după Big Bang. Diverse proiecte de cercetare ştiinţifică din toată lumea studiază aceste minuscule particule; printre acestea şi MAJORANA demonstrator, în laboratorul subteran american Sanford Underground Research Facility, unde se încearcă să se descopere dezintegrările beta duble fără emisie de neutrini.


Modelul standard al cosmologiei ne spune că universul, adică materia, spaţiul şi timpul, a luat naştere acum circa 13,8 miliarde de ani în urma Big Bangului. Imediat după Big Bang însă, conform acestui model, în univers existau cantităţi egale de materie şi antimaterie.  Ce s-a întâmplat atunci cu antimateria, unde a dispărut? Faptul că în Univers nu există urme de antimaterie înseamnă că aceasta a dispărut; anihilarea materiei cu antimateria ar fi lăsat un univers plin de energie (fotoni), însă fără materie (stele, galaxii, planete).

Una dintre teoriile care explică dispariţia antimateriei din Universul timpuriu este legată de neutrini: mai precis de natura acestor misterioase particule din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare. Neutrinii, de trei tipuri, neutrini electronici, miuonici şi tauonici, interacţionează doar prin interacţiuni slabe cu restul materiei; în plus, în prezent nu se ştie dacă neutrinii şi antineutrinii sunt una şi aceeaşi particulă sau, dimpotrivă, două particule diferite.

Tocmai posibilitatea ca neutrinii să fie aceeaşi particulă cu antineutrinii ar putea explica parte din misterul dispariţiei antimateriei din Univers, întrucât ar reprezenta o dovadă a neconservării aşa-numitului număr leptonic; Ettore Majorana a fost cel care în 1937 a propus această posibilitate.

Cum putem studia natura neutrinilor? Sunt aceştia acelaşi gen de particulă cu antineutrinii sau este vorba despre două particule diferite? O altă întrebare este legată de masa neutrinilor: la ora actuală ştim că au o masă, că aceasta este extrem de mică, dar încă nu a fost măsurată. O modalitate pentru a răspunde ambelor întrebări, care este masa neutrinilor şi dacă antineutrinii sunt aceleaşi particule cu neutrinii, o reprezintă studiul proceselor de dublă dezintegrare beta fără emisie  de neutrini, procese în care un nucleu se dezintegrează în altul în urma transformării a doi neutroni în doi protoni cu emisie de doi electroni, fără emisie de neutrini. Acest lucru este posibil doar dacă neutrinii şi antineutrinii sunt una şi aceeaşi particulă.

În cadrul procesului “normal” de dublă dezintegrare beta pe lângă cei doi electroni se emit şi doi antineutrini.

Acest proces este studiat în cadrul mai multor proiecte derulate în laboratoare subterane, pentru a proteja aparatele de măsură de razele cosmice, care pot ascunde semnalul studiat.

Unul dintre cele mai recente studii este cel efectuat în cadrul proiectului de cercetare MAJORANA Demonstrator, la care participă 129 de cercetători din 27 de institute din 6 ţări, care a efectuat o măsurătoare de test în laboratorul subteran american din South Dakota, Sanford Undeerground Research Facility, situat la o adâncime de peste 1.400 de metri.

MAJORANA Demonstrator este alcătuit din 44 de kilograme de Germaniu-76, reprezentând atât sursa de dezintegrare beta dublă, cât şi detectorul proceselor. Ge-76 se dezintegrează  în seleniu-76, în urma transformării a doi neutroni în doi protoni cu emisia a doi electroni. În procesele normale sunt emişi şi doi antineutrini; dacă însă neutrinul şi antineutrinul sunt aceeaşi particulă, emisia de neutrini poate să nu aibă loc – este exact ceea ce MAJORANA Demostrator caută să măsoare. În cadrul experimentului este practic măsurată energia electronilor; dacă nu are loc emisie de neutrini atunci această energie are o valoare specifică, mai mare decât în cazul în care sunt emişi şi antineutrinii.

La ora actuală cercetătorii au arătat cum sensibilitatea obţinută este extrem de bună într-un articol publicat recent în Physical Review Letters. Timpul de înjumătăţire este de cel puţin 1025 ani pentru procesul căutat, aceasta reprezentând o limită şi nicidecum o măsurătoare.

Pentru viitor cercetătorii doresc să efectueze un experiment în care detectorul de germaniu să aibă 1.000 kg, deci de mai bine de 20 de ori mai mult decât cantitatea utilizată în măsurătoarea de faţă, crescând mult sensibilitatea experimentului.

Neutrinii ar putea deci  dezvălui misterul dispariţiei antimateriei din univers şi studiul acestora în diverse laboratoare subterane din lume este unul dintre cele mai importante în fizica modernă.