W ostatnim numerze czasopisma naukowego Nature opublikowany został artykuł zespołu GERDA pt. “Background free search for neutrinoless double beta decay with GERDA”, zawierający wyniki dotychczasowych poszukiwań podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta (0νββ) izotopu 76Ge. Badania są prowadzone w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech. Członkami tego międzynarodowego zespołu ze strony Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego są: prof. Marcin Wójcik, mgr Nikodem Frodyma, dr Marcin Misiaszek, mgr Krzysztof Panas, dr Krzysztof Pelczar oraz dr Grzegorz Zuzel.
Większość fizyków krakowskiej grupy zajmuje się problematyką neutrin od szeregu lat, biorąc udział w wielu eksperymentach realizowanych w Gran Sasso: Gallex/GNO (pomiar strumienia neutrin słonecznych przy użyciu detektora radiochemicznego), BOREXINO (spektroskopowy pomiar w czasie rzeczywistym niskoenergetycznych strumieni neutrin słonecznych i geoneutrin detektorem ciekłoscyntylacyjnym), ICARUS i SOX. Wszystkie te projekty wymagają umieszczenia masywnych detektorów (dziesiątki do setek ton materiału czynnego) w laboratoriach podziemnych ze względu na konieczność minimalizacji wpływu promieniowania kosmicznego i promieniowania otoczenia. Neutrina są bowiem niezwykle ulotnymi cząstkami, które z powodu ekstremalnie słabego oddziaływania z materią, jest bardzo trudno wykryć czy rejestrować. Odgrywają one jednak centralną rolę w funkcjonowaniu termojądrowego kotła we wnętrzu Słońca, w procesie wybuchu supernowych oraz w procesach tworzenia się pierwiastków w czasie Wielkiego Wybuchu.
We wspomnianym artykule podano dotychczasowe wyniki badań, których celem jest udzielenie odpowiedzi na najbardziej podstawowe pytania współczesnej fizyki: czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami? Jaka jest bezwzględna skala mas neutrin? Czy w oparciu o poznawane własności neutrin możemy wyjaśnić asymetrię pomiędzy materią i antymaterią? Wiele rozszerzeń Modelu Standardowego cząstek czyni neutrina, zakładając że są one swoimi antycząstkami, odpowiedzialnymi za dominację materii nad antymaterią we Wszechświecie. To oznaczałoby także, iż powinien istnieć bardzo rzadki rozpad promieniotwórczy, niezachowujący liczby leptonowej, w którym dwa neutrony zamieniane są w jądrze na dwa protony bez emisji neutrin.
Każda cząstka elementarna posiada odpowiadającą jej antycząstkę. Te, które tworzą parę cząstka – antycząstka mają identyczną masę ale przeciwne ładunki elektryczne. W przypadku cząstek neutralnych pojawiają się różnice w odpowiednich wielkościach kwantowo-mechanicznych (np. dziwność, liczba barionowa, liczba leptonowa). Kiedy cząstka elementarna spotyka swoją antycząstkę, to ulegają one anihilacji – obydwie znikają, a ich całkowita energia pojawia się pod inną postacią.
W przypadku kiedy neutrino byłoby swoją własną antycząstką, byłoby ono cząstką typu Majorany. Ponieważ neutrino od antyneutrina odróżnia tzw. skrętność (rzut spinu na kierunek ruchu, neutrina są lewoskrętne a antyneutrina prawoskrętne) to dla danej cząstki, aby była ona tożsama ze sobą, wielkość ta musiałaby się zmieniać. W przypadku cząstek o zerowej masie spoczynkowej skrętność jest zawsze dobrze ustalona. Jej zmiana mogłaby zajść tylko dla cząstek masowych, a takimi, jak wiemy, są neutrina (chociaż ich masa może być bardzo mała). Aby lepiej zrozumieć ten proces można przeprowadzić następujący eksperyment myślowy: neutrino jest lewoskrętne dla obserwatora w spoczynku. Jednak można sobie wyobrazić obserwatora poruszającego się z prędkością większą niż samo neutrino, przez którego będzie ono obserwowane jako neutrino prawoskrętne. Czy neutrina rzeczywiście mają “zdolność” zmiany skrętności? – na to pytanie poszukujemy odpowiedzi.
Na podstawie wyników eksperymentów, w których obserwuje się efekty oscylacji neutrin, jesteśmy w stanie stwierdzić tylko, że neutrina mają niezerową masę (prawdopodobnie bardzo małą), oraz określić różnice kwadratów mas poszczególnych typów neutrin – ciągle nie wiemy ile w skali absolutnej one “ważą”. Poza tym nie jest do końca znana tak zwana hierarchia mas, czyli które neutrina są najcięższe. Odpowiedzi na te pytania mogą dostarczyć badania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. W szczególności określenie hierarchii mas pozwoliłoby wykluczyć (lub potwierdzić) różne modele opisujące procesy ewolucji Wszechświata.
Uważa się, że Wszechświat tuż po Wielkim Wybuchu zawierał niewielkie, ale równe ilości materii i antymaterii. Z upływem czasu oba rodzaje cząstek powinny, oddziałując wzajemnie, systematycznie anihilować, przekształcając swoje masy w energię. W chwili obecnej obserwuje się jednak Wszechświat zbudowany jedynie z materii. Poszukiwana jest zatem istotna przyczyna wyjaśniająca nadmiar materii nad antymaterią. Jednym z mechanizmów prowadzących do nadprodukcji materii, może być istnienie procesów niezachowujących liczby leptonowej (tak jak rozpad 0νββ). Przyjmuje się, że na wczesnym etapie powstawania Wszechświata zarówno neutrina jak i antyneutrina posiadały swoich odpowiednio ciężkich partnerów. Ciężkie neutrina rozpadały się w procesie leptogenezy i, nieznacznie łamiąc symetrię leptonową, generowały nieco więcej anty-leptonów niż leptonów (elektrony, miony, cząstki tau). Następnie, już zgodnie z Modelem Standardowym, z anty-leptonów powstawały bariony, których liczba była nieznacznie większa (części miliardowe) od anty-barionów tworząc nadwyżkę materii nad anty-materią. Wszystkie te procesy musiałyby mieć miejsce w pierwszych ułamkach sekund po Wielkim Wybuchu.
Rozpad beta (β) jest jednym ze sposobów rozpadu jądra atomowego. W jednej z przemian β, neutron wewnątrz jądra atomowego zamienia się na proton oraz emitowane są dwie cząstki: elektron wraz z (anty)neutrinem elektronowym. W naszym otoczeniu występuje wiele pierwiastków promieniotwórczych podlegających temu procesowi. Wymienić można wszechobecny potas 40K (półokres rozpadu rzędu 109 lat – czas po upływie którego połowa jąder ulegnie rozpadowi) będący zawsze domieszką naturalnego potasu, pierwiastka niezbędnego w procesach zachodzących w żywych komórkach, czy też węgiel 14C (półokres rozpadu rzędu 103 lat) używany w technice datowania niektórych obiektów archeologicznych. Natomiast w bardzo rzadkim podwójnym rozpadzie beta (ββ), równocześnie dwa neutrony zamieniają się w dwa protony oraz emitowane są dwa elektrony i dwa (anty)neutrina elektronowe. Zaledwie kilkanaście izotopów promieniotwórczych podlega temu rozpadowi. Jednym z nich jest 76Ge (półokres rozpadu rzędu 1021 lat). Im dłuższy półokres rozpadu tym mniejsze jest prawdopodobieństwo przemiany danego izotopu, a więc zachodzi ona rzadziej. Półokres podwójnego rozpadu beta 76Ge jest bilion razy (1012) większy np. od wieku Ziemi. Mimo to proces ten jest rejestrowany bez trudu w eksperymencie GERDA, co wskazuje na nieprawdopodobną czułość stosowanych detektorów.
Liczba leptonowa określa liczbę wszystkich leptonów (np. elektronów, neutrin) w danym procesie. Według Modelu Standardowego całkowita liczba leptonowa jest zachowana i procesy łamiące tę zasadę są niedopuszczalne. Poza ramami Modelu Standardowego rozważa się procesy łamania zasady zachowania liczby leptonowej, czego przykładem jest jeszcze nieodkryty rozpad 0νββ. Jego rejestracja wymaga użycia układu detekcyjnego o ekstremalne niskim, najlepiej zerowym, tle. Tłem nazywane są zdarzenia niepożądane, często nieodróżnialne od zdarzeń poszukiwanych, które wywołane są w innych procesach. Zespół GERDA poszukuje podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta jąder 76Ge używając wielu detektorów germanowych o wysokiej czystości, wzbogaconych w izotop 76Ge. Detektory te połączone są w łańcuchy i zanurzone bezpośrednio w ciekłym argonie. W obszarze energii, w którym przewidywane jest pojawienie się zdarzeń od 0νββ, osiągnięto bezprecedensowo niski poziom tła, rzędu ∼10-3 cts/(keV × kg × rok) – (zliczeń/jednostkowy przedział energii [keV], jednostkę masy detektora [kg], czas pomiaru [rok]). Łącząc wyniki z fazy I eksperymentu (listopad 2011 – maj 2013) i z pierwszego etapu fazy II (grudzień 2015 – czerwiec 2016) nie stwierdziliśmy obecności poszukiwanego sygnału i wyznaczyliśmy dolną granicę okresu półrozpadu 76Ge ze względu na 0νββ, równą 5.3 × 1025 lat. Czułość naszego systemu detekcyjnego równa 4.0 × 1025 lat, jest konkurencyjna w stosunku do detektorów o znacznie większej masie aktywnej izotopu. GERDA jest pierwszym, i jak do tej pory jedynym eksperymentem dedykowanym badaniom podwójnego rozpadu beta, w którym w założonym czasie pracy nie powinno zostać zaobserwowane żadne zdarzenie tła (detektor beztłowy). Wynik ten udało się nam uzyskać m.in. dzięki wykorzystaniu ultra-czystego ciekłego argonu jako bardzo dobrej osłony pasywnej oraz jako aktywnego weta, a także znakomitej energetycznej zdolności rozdzielczej detektorów germanowych. Ponadto niebagatelne znaczenie miało zastosowanie wyłącznie specjalnie wyselekcjonowanych ultra-radio-czystych materiałów konstrukcyjnych i opracowanie bardzo wydajnych softwarowych metod rozpoznawania zdarzeń tła w detektorach germanowych. Bardzo dobra energetyczna zdolność rozdzielcza detektorów germanowych oraz ich zerowe tło powoduje, iż detektor GERDA, jako obecnie jedyny, ma potencjalną możliwość odkrycia poszukiwanego procesu 0νββ, czyli poprawnej rejestracji i identyfikacji sygnału od rozpadu 0νββ. Głęboko uzasadniona jest więc jego rozbudowa i ewolucja do kolejnego etapu ze zwiększoną masą i czułością. Projekt ten, którego współtwórcami są również fizycy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego, nosi nazwę LEGEND.
Zaobserwowanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta będzie równoznaczne z odkryciem nowej cząstki elementarnej, cząstki typu Majorany, która jest swoją własną antycząstką. Stworzy ono także możliwość określenia bezwzględnej skali mas neutrin (pamiętając o niepewności teoretycznego wyznaczenia elementów macierzy jądrowej). Tego typu odkrycie byłoby co najmniej tak doniosłe jak odkrycie bozonu Higgsa i bardziej znaczące niż odkrycie mechanizmu oscylacji neutrin. Za obydwa te osiągnięcia przyznano w ostatnich latach Nagrody Nobla. Zagadnienia podejmowane przez zespół GERDA dotyczą więc zupełnie fundamentalnych problemów współczesnej fizyki.
Tło w detektorach, w których aktualnie poszukuje się podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, pochodzi głównie od rozpadów naturalnych radioizotopów zawartych np. w samym materiale detektora lub jego bezpośrednim sąsiedztwie. Rozpady te są ponad miliard razy częstsze niż proces, którego poszukujemy. Dlatego też minimalizacja i identyfikacja zdarzeń tła jest jednym z najtrudniejszych zadań. Rejestracja niezwykle rzadkich procesów wymaga ponadto zastosowania wyrafinowanych technik analizy danych, które pozwalają na wyeliminowanie sygnałów zaburzających pomiar. Zagadnieniami tego typu zajmuje się w eksperymencie GERDA grupa z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Do naszych najważniejszych osiągnięć zaliczyć można:
- opracowanie szeregu metod eksperymentalnych, pozwalających na minimalizację tła detektora (uzyskiwanie ultra-czystego ciekłego argonu, uzyskiwanie powierzchni wolnych od izotopów promieniotwórczych, implementacja weta argonowego),
- opracowanie oryginalnych metod analizy danych, pozwalających na identyfikację i eliminację resztkowego tła z wysoką wydajnością (analiza kształtu impulsu),
- opracowanie kilku nowatorskich rozwiązań technicznych, takich jak np. bezrezystorowy wzmacniacz ładunkowy, na który uzyskano patent RP.
Grupa z Instytutu Fizyki UJ jest jedyną grupą z Polski biorącą udział w eksperymencie GERDA. Badania przez nas prowadzone finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programów HARMONIA, SONATA-BIS oraz OPUS. Kolejne zebranie wszystkich uczestników eksperymentu odbędzie się w Instytucie Fizyki UJ w czerwcu 2017 r., w czasie którego opublikowane zostaną nowe wyniki prowadzonych ciągle pomiarów – być może tym razem wynik nie będzie zerowy.