Poszukiwania cząstki Majorany

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? Odpowiedzi na te najbardziej podstawowe pytania współczesnej fizyki poszukują naukowcy skupieni wokół międzynarodowego projektu GERDA, w tym grupa naukowców z Polski. W najnowszym numerze pisma „Nature” ukazał się artykuł prezentujący rezultaty tych prac.

Widok kriostatu detektora GERDA z macierzą kryształów germanowych zanurzonych w ciekłym argonie

W drugiej połowie lat 30. XX wieku włoski fizyk Ettore Majorana zaproponował, na podstawie teorii kwantowej, istnienie cząstek będących jednocześnie swoimi własnymi antycząstkami. Cząstki Majorany znajdowałyby się gdzieś pośrodku, między materią i antymaterią. Celem eksperymentu GERDA jest badanie natury neutrina i próba wyznaczenia jego masy efektywnej, a w rezultacie wykrycie procesu, który byłby potwierdzeniem hipotezy, iż neutrino jest cząstką typu Majorany. W artykule pt. „Background free search for neutrinoless double beta decay with GERDA” opisano wyniki dotychczasowych poszukiwań podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta (0νββ) izotopu ⁷⁶Ge.

Aby zapewnić warunki umożliwiające dokonanie precyzyjnych obserwacji, badania prowadzone są w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech. Rejestracja niezwykle rzadkich procesów wymaga zastosowania wyrafinowanych technik analizy danych, które pozwalają na wyeliminowanie zaburzających pomiar sygnałów (tzw. zdarzeń tła). Dzięki zastosowaniu innowacyjnych technik redukcji tła, w eksperymencie GERDA udało się uzyskać jego bezprecedensowo niski, niemal zerowy poziom. Dzięki temu, już po pięciu miesiącach pomiarów, wykorzystując tylko 35 kg germanu (Ge-76), udało się wyznaczyć dolną granicę na czas połowicznego zaniku tego izotopu na T_1/2 > 5x10²⁵ lat. Biorąc pod uwagę krótki czas pomiaru oraz małą masę detektora, to aktualnie najlepszy wynik, jednak stanowi on dopiero przygotowanie sprzyjających warunków do obserwacji podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta, która pozwoliłaby odpowiedzieć na postawione na wstępie pytania. Stwierdzenie braku występowania takiego procesu (wyznaczenie odpowiednio dużej dolnej granicy na czas połowicznego rozpadu) byłoby również niezwykle cenne – umożliwiłoby np. określenie hierarchii mas neutrin, na której opartych jest wiele modeli ewolucji Wszechświata.

Widok pojedynczego łańcucha z detektorami germanowymi

Zagadnieniami redukcji tła w eksperymencie GERDA zajmuje się grupa z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego: prof. Marcin Wójcik, dr Marcin Misiaszek, mgr Nikodem Frodyma, dr Krzysztof Panas, dr Krzysztof Pelczar oraz dr Grzegorz Zuzel. Do najważniejszych osiągnięć polskich fizyków należy: opracowanie szeregu metod eksperymentalnych pozwalających na minimalizację tła detektora, opracowanie oryginalnych metod analizy danych umożliwiających identyfikację i eliminację resztkowego tła z wysoką wydajnością, a także opracowanie kilku nowatorskich rozwiązań technicznych, takich jak np. bezrezystorowy wzmacniacz ładunkowy, na który uzyskano patent RP.

GERDA jest europejskim projektem zrzeszającym naukowców z 16 instytutów badawczych i uniwersytetów z Niemiec, Włoch, Rosji, Polski, Szwajcarii i Belgii. Badania polskiej części zespołu finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki w konkursach HARMONIA, SONATA BIS oraz OPUS.