The player will show in this paragraph

Download video: avi (84MB)

Download video: mp4 (15MB)

Najnowsze wyniki naszych badań w czasopiśmie Nature

Celem eksperymentu GERDA jest badanie natury neutrina i próba wyznaczenia jego masy efektywnej. Wykorzystywana do tego jest jedna z najbardziej czułych metod, jaką jest obserwacja podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta (0νββ), w naszym przypadku izotopu ⁷⁶Ge: ⁷⁶Ge → ⁷⁶Se + 2e^-. Wykrycie tego procesu, zachodzącego zgodnie z przewidywaniami i wyznaczonymi doświadczalnie ograniczeniami, z niezwykle małym prawdopodobieństwem, byłoby potwierdzeniem hipotezy, iż neutrino jest cząstką typu Majorany [1]. W odróżnieniu od wszystkich innych składników materii byłoby ono więc swoją własną antycząstką, jak zakłada się najczęściej próbując rozszerzyć Model Standardowy. Występowanie 0νββ świadczyłoby także o niezachowaniu całkowitej liczby leptonowej [2]. Obecnie nie ma innego sposobu pozwalającego określić naturę neutrina (cząstka typu Diraca czy typu Majorany), posiadającego niezerową masę spoczynkową. Zaobserwowanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta byłoby odkryciem o ogromnym znaczeniu, nie tylko ze względu na wymienione fundamentalne pytania, lecz także w związku z możliwością określenia bezwzględnej skali mas neutrin i ich hierarchii [3]. Być może rzuciłoby także światło na problem łamania symetrii CP w sektorze leptonowym oraz stanowiło test dla wielu modeli teoretycznych.
GERDA, wykorzystując wzbogacone w izotop ⁷⁶Ge, detektory germanowe wysokiej czystości (HPGe) zanurzone bezpośrednio w ciekłym argonie (LAr), jest aktualnie wiodącym eksperymentem w dziedzinie poszukiwań podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta [4]. W pierwszej fazie realizacji projektu osiągnięto rekordowo niski poziom tła równy (1.1±0.2)×10^-2 cts/(keV×kg×y), o rząd wielkości niższy (i zgodny z oryginalnymi założeniami) niż w poprzednich eksperymentach wykorzystujących ⁷⁶Ge: Heidelberg-Moscow (HdM) [5] oraz IGEX [6]. Ekstremalnie niskie tło pozwoliło na określenie dolnego limitu na czas połowicznego zaniku ⁷⁶Ge dla 0νββ na poziomie T_1/2 > 2.1×10²⁵ y [7] (Publikacja wyróżniona przez Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne) mimo relatywnie krótkiego pomiaru (listopad 2011 – maj 2013) i niedużej masy detektorów, dających w sumie ekspozycję równą 21.6 kg×y. Uzyskany wynik pozwolił na wykluczenie (z prawdopodobieństwem 99%) doniesienia o obserwacji 0νββ (T_1/2 = (1.19^+0.37_-0.23)×10²⁵ y) opublikowanego przez część kolaboracji HdM [8]. Kombinacja danych z detektorów GERDA, HdM i IGEX pozwoliła na zwiększenie granicy na T_1/2 (0νββ) do poziomu 3.0×10²⁵ y [7] i potwierdziła wykluczenie doniesienia [8]. Wynik uzyskany w eksperymencie GERDA dostarcza aktualnie najsilniejszego ograniczenia na T_1/2 (0νββ) i był szeroko dyskutowany przez środowiska naukowe [9, 10] oraz media [11]. Szczegóły analizy danych oraz wynik pomiaru czasu połowicznego zaniku dla procesu 0νββ przedstawione są w publikacjach [7, 12, 13, 14, 15].
W fazie I eksperymentu GERDA wykorzystano koaksjalne detektory germanowe z projektów HdM i IGEX oraz 5 detektorów typu BEGe (Broad Energy Germanium) [16]. W fazie II projektu, wykorzystuje się dodatkowo 30 nowych detektorów BEGe (~20 kg ^enrGe), tak że całkowita masa wzbogaconego Ge wzrosła do około 35 kg. Równocześnie o kolejny rząd wielkości obniżono tło tak, aby uzyskać poziom ~1×10^-3 cts/(keV×kg×y), co po zgromadzeniu zakładanych 100 kg×y danych (3 lata pomiaru) pozwoli na podniesienie granicy na T_1/2(0νββ) do poziomu ~1×10²⁶ y, a co za tym idzie na obniżenie górnej granicy na efektywną masę neutrina (m_ββ) do ok. 100 meV. Obniżenie tła uzyskano poprzez zastosowanie mniejszej ilości materiałów (i czystszych radio-izotopowo) otaczających detektory Ge, zastosowanie scyntylacji LAr jako veta dla zewnętrznego promieniowania γ oraz wdrożeniu opracowanych w naszym Zakładzie eksperymentalnych oraz komputerowych technik redukcji tła.
Realizacja fazy drugiej projektu rozpoczęła się 20.12.2015. Wstępne wyniki dotyczące poziomu tła zostaną zaprezentowane na konferencji Neutrino 2016. Ostateczne wyniki oczekiwane są pod koniec 2018 r.

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.

Grupa z Instytutu Fizyki UJ jest jedyną grupą z Polski, biorącą udział w eksperymencie. Ewolucja projektu, wymuszona poprzez konieczność poprawy czułości detektora w jego kolejnych fazach realizacji, wymaga zawsze redukcji tła, w czym specjalizuje się grupa z IF UJ. Ponadto aktywnie zajmujemy się analizą danych – przy pomocy opracowanych metod przeprowadziliśmy pełną analizę danych z fazy I, oraz rozwinęliśmy oprogramowanie do jej prowadzenia. Nasz zespół posiada unikatowe doświadczenie z zakresu badań ultra-niskich aktywności izotopów promieniotwórczych oraz technik redukcji tła od nich pochodzącego, potwierdzone zaproszeniem do udziału w projektach poszukujących rzadkich procesów jądrowych takich jak np. GALLEX/GNO, BOREXINO oraz DARKSIDE. Realizacja niektórych z zadań badawczych w ramach GERDY wymaga bezpośredniej współpracy z innymi grupami biorącymi udział w eksperymencie. Przykładowo, badania nad nowymi technikami redukcji tła z wykorzystaniem detektora LArGe prowadzimy we współpracy z Instytutem Maxa Plancka w Heidelbergu (MPIK), Politechniką Monachijską (TUM) oraz laboratorium w Gran Sasso (LNGS).

[1] F.T Avignone et al., Rev. Mod. Phys. 80 (2008) 481

[2] A. Gouvea, P. Vogel, arXiv:1303.4097, Mar. 2013

[3] R.N. Cahn, arXiv:1307.5487, Sep. 2013

[4] E. Cartlidge, Nature 487 (2012) 160

[5] H.V.K-Kleingrothaus et al., Eur. Phys. J. A12 (2001) 147

[6] C.E. Aalseth et al. Phys. Rev. D70 (2004) 078302

[7] M. Agostini et al., Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 122503

[8] H.V.K-Kleingrothaus et al., Phys. Lett. B586 (2004) 198

[9] CERN COURIER, Aug. 2013; CERN COURIER, Feb. 2014

[10] http://www.ncn.gov.pl/finansowanie-nauki/przyklady-projektow/zuzel?language=en

[11] http://www.mpi-hd.mpg.de/gerda/public/press.html

[12] K.H. Ackermann et al., Eur. Phys. J. C73 (2103) 2330

[13] M. Agostini et al., Eur. Phys. J. C74 (2014) 2764.

[14] M. Agostini et al., Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2583

[15] M. Agostini et al., J.Phys.G:Nucl.Part.Phys. 40 (2013) 035110

[16] M. Agostini et al., JINST 6 (2011) P04005

Borexino is a solar neutrino experiment at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Italy, designed to detect low-energy solar neutrinos, in real time, using 300 tons of liquid scintillator in an unsegmented detector. The detector is located in Hall C of the Gran Sasso underground laboratory. Neutrino-electron scattering in the scintillator produces flashes of scintillation light which are observed by 2000 photomultiplier tubes (20 cm diameter). With a fiducial volume of about 100 tons, the expected neutrino count rate is about 30 events per day above 250 keV (Standard Solar Model and Large Mixing Angle neutrino oscillation model, assuming vacuum oscillations), due mostly to 7Be solar neutrinos.

The emphasis in Borexino is on the ultimate in radiopurity, for the energies where the 7Be neutrino signals occur are filled with false positives from many different species of radioactive decay. In particular, the uranium and thorium chains are great problems, as well as the radioactive noble gas isotopes 39Ar, 85Kr, and 222Rn, all present in the Earth’s atmosphere. Numerous methods of getting rid of these isotopes have been used, ranging from careful materials selection, through construction of the most delicate parts of the detector in a radon-free clean room, up to a several month sequence of purging the entire detector with special nitrogen free of argon, krypton and radon.

Structure of Borexino

The concentric volumes of the detector are based on the principle of graded shielding: the cleanest parts are at the very center. First, of course, the underground location of the detector, under 3500 meters of water equivalent, reduces the cosmic ray flux to a fraction of its value at the surface. Next, a shield of ultra-pure water protects internal parts of the detector from neutrons and gamma rays, emitted by radioactive decays in the rock walls of the laboratory.

Within the ultra-pure water is a stainless steel sphere (SSS) that acts as a support structure for > 2000 PMTs. About 200 of these are located in the volume of water; they act as a muon detector by observing the tracks of Cherenkov light left by muons passing through. The remainder are on the inner surface of the SSS, pointed inward.

The Gran Sasso National Laboratory (LNGS) is one of four INFN national laboratories.

It is the largest underground laboratory in the world for experiments in particle physics, particle astrophysics and nuclear astrophysics. It is used as a worldwide facility by scientists, presently 750 in number, from 22 different countries, working at about 15 experiments in their different phases.

It is located between the towns of L’Aquila and Teramo, about 120 km from Rome.

The underground facilities are located on a side of the ten kilometres long freeway tunnel crossing the Gran Sasso Mountain. They consist of three large experimental halls, each about 100 m long, 20 m wide and 18 m high and service tunnels, for a total volume of about 180,000 cubic metres.

The average 1400 m rock coverage gives a reduction factor of one million in the cosmic ray flux; moreover, the neutron flux is thousand times less than on the surface, thanks to the smallness of the Uranium and Thorium content of the dolomite rocks of the mountain.

The headquarters and the support facilities, among which offices, different services, library and canteen, are located in the external building.

The mission of the Laboratory is to host experiments that require a low background environment in the field of astroparticle physics and nuclear astrophysics and other disciplines that can profit of its characteristics and of its infrastructures.

Main research topics of the present programme are: neutrino physics with neutrinos naturally produced in the Sun and in Supernova explosions and neutrino oscillations with a beam from CERN (CNGS program), search for neutrino mass in neutrinoless double beta decay, dark matter search, nuclear reactions of astrophysical interest.

Both the external as well as the underground structures of the National Laboratory of Gran Sasso are located inside the so called Parco Nazionale del Gran Sasso e Monti della Laga.

The Gran Sasso and Monti della Laga National Park is a natural park in Italy, established in 1991. It has an area of 2,014 square kilometres. The terrain is predominantly mountainous. It is managed by Ente Parco Nazionale Gran Sasso e Monti della Laga, with headquarters in Assergi, in the Province of L’Aquila, Abruzzo. The Grand Highway of the Gran Sasso and Monti della Laga National Park runs through the park between the Gran Sasso mountain peak and the chain known as Monti della Laga.

Geography

The park is one of the largest protected areas in Europe, the show-piece being the massif of Gran Sasso, which dominates the surrounding landscape; it rises vertically on the immense pastures of Campo Imperatore. On the east side, from Teramo, there is the majestic “Paretone” which is a part of the central Adriatic landscape. It is the kingdom of perennial snow, rocks and wind. On the north the profile of Monti della Laga chain, where thousands of migratory birds stop on the shores of Lake Campotosto. This part is completely covered by woods of beeches, firs, turkey oaks and chestnuts. There are over 200 kilometres of horse tracks which can be used to visit it.
Abruzzo Chamois on the Gran Sasso mountain. Apollo Butterfly of the Gran Sasso mountain
Abruzzo Edelweiss on the Gran Sasso mountain – Monte Camicia.

Nature and wildlife

The park is one of the areas in Europe with the greatest biological variety. Its nature is borderline between the Mediterranean and Europe, more than two thousand plant and vegetable species, some of which are found exclusively in this area, as Abruzzo Edelweiss, and fauna which is equally precious. Many species of wildlife inhabited in the park, rare animals such as Abruzzo Chamois, wolf, roe deer, stag, wildcat, wild boar, foxes and squirrels; Birds as the Golden Eagle, the goshawk and the peregrine. Butterfly as Apollo.