Al lavoro sull'array di rivelatori al germanio nella camera bianca del laboratorio sotterraneo del Gran Sasso. Credito:J. Suvorov / Collaborazione GERDA
Nella ricerca per dimostrare che la materia può essere prodotta senza antimateria, l'esperimento GERDA presso il Laboratorio Sotterraneo del Gran Sasso in Italia sta cercando segni di doppio decadimento beta senza neutrini. L'esperimento ha la più grande sensibilità al mondo per rilevare il decadimento in questione. Per migliorare ulteriormente le possibilità di successo, un progetto di follow-up, LEGGENDA, utilizza un esperimento di decadimento ancora più raffinato.
Mentre il Modello Standard della Fisica delle Particelle è rimasto per lo più invariato dalla sua concezione iniziale, osservazioni sperimentali per i neutrini hanno costretto a riconsiderare nella sua interezza la parte della teoria sui neutrini.
L'oscillazione del neutrino è stata la prima osservazione incoerente con le previsioni, e dimostra che i neutrini hanno massa diversa da zero, una proprietà che contraddice il Modello Standard. Nel 2015, questa scoperta è stata premiata con il Premio Nobel.
Inoltre, c'è la congettura di vecchia data che i neutrini siano le cosiddette particelle di Majorana:a differenza di tutti gli altri costituenti della materia, i neutrini potrebbero essere le loro stesse antiparticelle. Questo spiegherebbe anche perché c'è molta più materia che antimateria nell'universo.
L'esperimento GERDA è progettato per esaminare l'ipotesi di Majorana cercando il doppio decadimento beta senza neutrini dell'isotopo del germanio 76 Ge:due neutroni all'interno di a 76 Il nucleo di Ge si trasforma contemporaneamente in due protoni con l'emissione di due elettroni. Questo decadimento è vietato nel Modello Standard perché mancano i due antineutrini, l'antimateria bilanciante.
L'Università tecnica di Monaco di Baviera (TUM) è da molti anni un partner chiave del progetto GERDA (GERmanium Detector Array). Prof. Stefan Schönert, che guida il gruppo di ricerca TUM, è il relatore del nuovo progetto LEGGENDA.
Credito:Collaborazione GERDA
L'esperimento GERDA raggiunge livelli estremi di sensibilità
GERDA è il primo esperimento a raggiungere livelli eccezionalmente bassi di rumore di fondo e ha ora superato la sensibilità del tempo di dimezzamento per il decadimento di 10 26 anni. In altre parole, GERDA dimostra che il processo ha un'emivita di almeno 10 26 anni, o 10, 000, 000, 000, 000, 000 volte l'età dell'universo.
I fisici sanno che i neutrini sono almeno 100, 000 volte più leggero degli elettroni, le successive particelle più pesanti. La loro massa esatta, però, è ancora sconosciuto, ed è un altro importante argomento di ricerca.
Nell'interpretazione standard, l'emivita del doppio decadimento beta senza neutrini è correlata a una variante speciale della massa del neutrino chiamata massa di Majorana. Basandosi sul nuovo limite GERDA e su quelli di altri esperimenti, questa massa deve essere almeno 1 milione di volte inferiore a quella di un elettrone, o in termini di fisici, da 0,07 a 0,16 eV/c 2 .
Nella fisica delle particelle le masse non sono specificate in chilogrammi, ma piuttosto in accordo con l'equazione di Einstein E=mc 2 :elettronvolt [eV] diviso per la velocità della luce al quadrato. Gli elettronvolt sono una misura dell'energia. Questa convenzione è usata per aggirare unità di massa insondabilmente piccole:1 eV/c 2 corrisponde a 1,8 × 10 -36 chilogrammi.
Coerentemente con altri esperimenti
Inoltre, altri esperimenti limitano la massa del neutrino:la missione Planck fornisce un limite su un'altra variante della massa del neutrino:la somma delle masse di tutti i tipi di neutrini conosciuti è inferiore a 0,12-0,66 eV/c 2 .
L'esperimento di decadimento del trizio KATRIN al Karlsruhe Institute of Technology (KIT) è impostato per misurare la massa del neutrino con una sensibilità di circa 0,2 eV/c 2 nei prossimi anni. Queste masse non sono direttamente confrontabili, ma forniscono un controllo incrociato sul paradigma che i neutrini sono particelle di Majorana. Finora, non è stata osservata alcuna discrepanza.
Da GERDA a LEGGENDA
Durante il periodo di raccolta dei dati riportato, Rivelatori azionati GERDA con una massa totale di 35,6 kg di 76 Ge. Ora, una collaborazione internazionale di recente costituzione, LEGGENDA, aumenterà questa massa a 200 kg di 76 Ge fino al 2021 e riduci ulteriormente il rumore di fondo. L'obiettivo è raggiungere una sensibilità di 10 27 anni entro i prossimi cinque anni.
