Eksperyment GERDA

[nggallery id=4]

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 T1/2 > 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 (T1/2 = (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 T1/2 (0νββ) do poziomu 3.0×1025 y [7] i potwierdziła wykluczenie doniesienia [8]. Wynik uzyskany w eksperymencie GERDA dostarcza aktualnie najsilniejszego ograniczenia na T1/2 (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 T1/2(0νββ) do poziomu ~1×1026 y, a co za tym idzie na obniżenie górnej granicy na efektywną masę neutrina (mββ) 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).

Oficjalna strona projektu GERDA

[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