Badania polskich fizyków rzucają nowe światło na niezwykle rzadki rozpad jądrowy

Naukowcy z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego uczestniczący w pracach międzynarodowego zespołu GERDA uzyskali bardzo ważne wyniki, które stanowią istotny wkład w badania z zakresu kosmologii, astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych, a w przyszłości mogą doprowadzić do ustalenia masy neutrin. Prace badawcze polskich naukowców są częścią grantu finansowanego przez NCN, przyznanego dr. Grzegorzowi Zuzelowi w konkursie HARMONIA.

Neutrina są najbardziej nieuchwytnymi cząstkami elementarnymi o bardzo specyficznych właściwościach. Oddziaływanie między neutrinami a materią jest niezwykle słabe, przypuszcza się wręcz, iż są one 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 eksperymentu GERDA, fizycy uzyskali nowe ograniczenie dla czasu połowicznego zaniku  tak zwanego podwójnego bezneutrinowego rozpadu 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.

Obok fotonów neutrina są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Ze względu na niezwykle słabe oddziaływanie z materią często określa się je 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 tezę na temat neutrin wysunął w latach trzydziestych ubiegłego wieku włoski fizyk Ettore Majorana, który twierdził, że w przeciwieństwie do wszystkich innych cząstek elementarnych neutrino może być swoją własną antycząstką.

Fot 1. fot. Zespół GERDA

Fot. 1. 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.

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 klasycznym 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 dużą 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, powinien zachodzić także 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 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, które pozwalają na wyeliminowanie zaburzających pomiar sygnałów pochodzących np. od promieniowania kosmicznego czy też powstających w trakcie przeprowadzania 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, umieszczono w zbiorniku o średnicy 10 m napełnionym ultraczystą wodą. Całość zainstalowana jest w podziemnym laboratorium, nad którym znajduje się 1400 m skał. Stosując wymienione wyżej nowatorskie techniki, udało się zredukować tło eksperymentu do nieosiągalnego dotychczas poziomu.

Fot. 2. fot. Zespół GERDA

Fot. 2. Serce eksperymentu GERDA: trzy z ośmiu wzbogaconych detektorów koaksjalnych (po lewej) oraz pięć detektorów typu BEGe (po prawej) wykorzystywanych w pierwszej fazie eksperymentu.

Zbieranie danych eksperymentalnych z wykorzystaniem ośmiu detektorów, każdy wielkości niewielkiej puszki o masie około 2 kg, rozpoczęło się jesienią 2011. Następnie 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 ilości informacji odpowiadającej 21 kg∙rok (równoważnik rocznego pomiaru z łączną masą detektorów równą 21 kg) zakończono pierwszą fazę eksperymentu. W wyniku analizy, której metodologia została ustalona jeszcze przed udostępnieniem danych ze wspomnianego wyżej przedziału energii, stwierdzono brak sygnału będącego wynikiem podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta izotopu Ge-76, co umożliwiło obliczenie dolnej granicy czasu połowicznego zaniku Ge-76 w odniesieniu do tego rozpadu na poziomie 2.1·10²⁵ lat. Jest to jak dotąd najwyższa uzyskana wartość. Po uwzględnieniu wyników innych eksperymentów osiągnięcie zespołu GERDA pozwala wykluczyć doniesienie o obserwacji sygnału przez grupę prof. Klapdor-Kleingrothausa [1]. Wynik uzyskany w eksperymencie GERDA dostarcza ponadto niezwykle ważnych informacji 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 podwojona przez dodanie nowych detektorów germanowych. Faza druga projektu rozpocznie się po zaimplementowaniu kolejnych technik, które pozwolą na dalszą redukcję tła.

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 Narodowego Laboratorium w Gran Sasso. 

[1] H. V. Klapdor-Kleingrothaus and I. V. Krivosheina, Mod. Phys. Lett. A 21, 1547 (2006).

Dodatkowe informacji na temat projektu: mpi-hd, bryza.if.uj.

Data publikacji: 17.07.2013