Se uguali quantità di materia e antimateria si fossero formate nel Big Bang più di 13 miliardi di anni fa, l'uno avrebbe annientato l'altro all'incontro, e l'universo di oggi sarebbe pieno di energia ma non importa formare stelle, pianeti e vita. Eppure la materia esiste adesso. Questo fatto suggerisce che qualcosa non va nelle equazioni del Modello Standard che descrivono la simmetria tra le particelle subatomiche e le loro antiparticelle. In uno studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , collaboratori del DIMOSTRATORE DI MAJORANA, un esperimento condotto dall'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, hanno dimostrato di poter schermare un sensibile, array di rivelatori al germanio scalabile da 44 chilogrammi dalla radioattività di fondo.

Questo risultato è fondamentale per sviluppare e proporre un esperimento futuro molto più ampio, con circa una tonnellata di rivelatori, per studiare la natura dei neutrini. Queste particelle elettricamente neutre interagiscono solo debolmente con la materia, rendendo la loro individuazione estremamente difficile.

"L'eccesso di materia sull'antimateria è uno dei misteri più avvincenti della scienza, " ha affermato John Wilkerson dell'ORNL e dell'Università del North Carolina, Collina della Cappella. Wilkerson guida il DIMOSTRATORE MAJORANA, che coinvolge 129 ricercatori provenienti da 27 istituzioni e 6 nazioni. "Il nostro esperimento cerca di osservare un fenomeno chiamato 'decadimento doppio beta senza neutrini' nei nuclei atomici. L'osservazione dimostrerebbe che i neutrini sono le loro stesse antiparticelle e hanno profonde implicazioni per la nostra comprensione dell'universo. Inoltre, queste misurazioni potrebbero fornire una migliore comprensione della massa dei neutrini".

In un rapporto del 2015 del Comitato consultivo per la scienza nucleare degli Stati Uniti al Dipartimento dell'Energia e alla National Science Foundation, un esperimento su scala tonnellata condotto dagli Stati Uniti per rilevare il decadimento doppio beta senza neutrini è stato ritenuto una priorità assoluta della comunità della fisica nucleare. Quasi una dozzina di esperimenti hanno cercato il decadimento doppio beta senza neutrini, e altrettanti esperimenti futuri sono stati proposti. Una delle chiavi del loro successo dipende dall'evitare uno sfondo che potrebbe imitare il segnale del decadimento doppio beta senza neutrini.

Questo è stato il risultato chiave del DIMOSTRATORE DI MAJORANA. La sua attuazione è stata completata in South Dakota nel settembre 2016, quasi un miglio sottoterra presso il Sanford Underground Research Facility. Collocare l'esperimento sotto quasi un miglio di roccia è stato il primo di molti passi intrapresi dai collaboratori per ridurre le interferenze di fondo. Altri passaggi includevano un criostato realizzato con il rame più puro al mondo e un complesso schermo a sei strati per eliminare le interferenze dei raggi cosmici, radon, polvere, impronte digitali e isotopi radioattivi naturali.

"Se stai cercando un decadimento doppio beta senza neutrini, è fondamentale sapere che lo sfondo radioattivo non sopraffà il segnale che cerchi, " ha detto David Radford di ORNL, uno scienziato capo nell'esperimento.

Ci sono molti modi per far cadere a pezzi un nucleo atomico. Una modalità di decadimento comune si verifica quando un neutrone all'interno del nucleo emette un elettrone (chiamato "beta") e un antineutrino per diventare un protone. Nel decadimento doppio beta di due neutrini, due neutroni decadono simultaneamente per produrre due protoni, due elettroni e due antineutrini. Questo processo è stato osservato. La collaborazione MAJORANA cerca prove di un simile processo di decadimento che non è mai stato osservato, in cui non vengono emessi neutrini.

Conservazione del numero di leptoni:particelle subatomiche come elettroni, muoni o neutrini che non prendono parte a interazioni forti, è stato scritto nel Modello Standard della Fisica. "Non c'è davvero una buona ragione per questo, solo l'osservazione che sembra che sia così, " disse Radford. "Ma se il numero leptonico non si conserva, quando aggiunto ai processi che pensiamo siano avvenuti durante l'universo primordiale, questo potrebbe aiutare a spiegare perché c'è più materia che antimateria".

Molti teorici credono che il numero leptonico non si conservi, che il neutrino e l'antineutrino - che si presumeva avessero numeri leptonici opposti - fossero in realtà la stessa particella che ruotava in modi diversi. Il fisico italiano Ettore Majorana introdusse questo concetto nel 1937, predire l'esistenza di particelle che sono le proprie antiparticelle.

Il MAJORANA DEMONSTRATOR utilizza i cristalli di germanio sia come fonte di decadimento doppio beta sia come mezzo per rilevarlo. Il germanio-76 (Ge-76) decade per diventare selenio-76, che ha una massa minore. Quando il germanio decade, la massa viene convertita in energia che viene portata via dagli elettroni e dagli antineutrini. "Se tutta quell'energia va agli elettroni, allora non ne resta per i neutrini, " ha detto Radford. "Questo è un chiaro identificatore che abbiamo trovato l'evento che stiamo cercando."

Gli scienziati distinguono le modalità di decadimento a due neutrini da quelle senza neutrini in base alle loro firme energetiche. "È un malinteso comune che i nostri esperimenti rilevino i neutrini, ", ha affermato Jason Detwiler dell'Università di Washington, che è co-portavoce della collaborazione MAJORANA. "È quasi comico dirlo, ma stiamo cercando l'assenza di neutrini. Nel decadimento senza neutrini, l'energia rilasciata è sempre un valore particolare. Nella versione a due neutrini, l'energia rilasciata varia ma è sempre inferiore a quella del decadimento doppio beta senza neutrini."

Il MAJORANA DEMONSTRATOR ha mostrato che l'emivita del decadimento doppio beta senza neutrini del Ge-76 è almeno 10 ²⁵ anni:15 ordini di grandezza in più rispetto all'età dell'universo. Quindi è impossibile aspettare che un singolo nucleo di germanio decada. "Aggiriamo l'impossibilità di osservare a lungo un nucleo guardando invece nell'ordine di 10 ²⁶ nuclei per un periodo di tempo più breve, " ha spiegato il co-portavoce Vincente Guiseppe della University of South Carolina.

Le possibilità di individuare un doppio decadimento beta senza neutrini nel Ge-76 sono rare:non più di 1 ogni 100, 000 decadimenti a doppio beta a due neutrini, disse Giuseppe. L'uso di rivelatori contenenti grandi quantità di atomi di germanio aumenta la probabilità di individuare i rari decadimenti. Tra giugno 2015 e marzo 2017, gli scienziati non hanno osservato eventi con il profilo energetico del decadimento senza neutrini, il processo che non è stato ancora osservato (questo era previsto dato il piccolo numero di nuclei di germanio nel rivelatore). Però, sono stati incoraggiati a vedere molti eventi con il profilo energetico dei decadimenti di due neutrini, la verifica del rivelatore potrebbe individuare il processo di decadimento che è stato osservato.

I risultati della collaborazione MAJORANA coincidono con i nuovi risultati di un esperimento concorrente in Italia chiamato GERDA (per GERmanium Detector Array), che adotta un approccio complementare allo studio dello stesso fenomeno. "Il MAJORANA DEMONSTRATOR e GERDA insieme hanno lo sfondo più basso di qualsiasi esperimento di decadimento doppio beta senza neutrini, " ha detto Radford.

Il DEMONSTRATOR è stato progettato per gettare le basi per un esperimento su scala di tonnellate dimostrando che gli sfondi possono essere sufficientemente bassi da giustificare la costruzione di un rivelatore più grande. Proprio come i telescopi più grandi raccolgono più luce e consentono la visualizzazione di oggetti più deboli, l'aumento della massa di germanio consente una maggiore probabilità di osservare il raro decadimento. Con 30 volte più germanio rispetto all'attuale esperimento, l'esperimento pianificato da una tonnellata sarebbe in grado di individuare il decadimento doppio beta senza neutrini di un solo nucleo di germanio all'anno.

Si prevede che il MAJORANA DIMOSTRATORE continuerà a raccogliere dati per due o tre anni. Nel frattempo, è in corso una fusione con GERDA per sviluppare un possibile rilevatore da una tonnellata chiamato LEGEND, progettato per essere costruito in più fasi in un sito ancora da determinare.

LEGENDA 200, il dimostratore LEGEND e passo verso un possibile futuro esperimento su scala di tonnellate, sarà una combinazione di GERDA, MAJORANA e nuovi rilevatori. Gli scienziati sperano di iniziare la prima fase di LEGEND 200 entro il 2021. Un esperimento su scala di tonnellate, LEGGENDA 1000, sarebbe la fase successiva, se approvato. "Questa fusione fa leva sugli investimenti pubblici nel MAJORANA DEMONSTRATOR e GERDA combinando le migliori tecnologie di ciascuno, ", ha dichiarato il co-portavoce di LEGEND Collaboration (e portavoce di MAJORANA di lunga data fino allo scorso anno) Steve Elliott del Los Alamos National Laboratory.

Il titolo del documento Physical Review Letters è "Ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini nel 76Ge con il MAJORANA DEMONSTRATOR".