Studiul neutrinilor ar putea contribui la descifrarea misterul disparitiei antimaterie din Univers imediat dupa Big Bang. Diverse experimente in toata lumea studiaza aceste minuscule particule; printre acestea si MAJORANA demonstrator, in laboratorul subteran american Sanford Underground Research Facility, care incearca sa descopere dezintegrarile beta duble fara emisie de neutrni.
Modelul standard al cosmologiei ne spune ca Universul, adica materia, spatiul si timpul, au luat nastere acum circa 13.8 miliarde de ani in urma Big Bangului. Imediat dupa Big Bang insa, conform acestui model, in Univers existau cantitatati egala de materie si antimaterie. Ce s-a intamplat atunci cu antimateria, unde a disparut? Faptul ca la ora actuala in Univers nu exista urme de antimaterie inseamna ca aceasta a disparut – altfel anihilarea materiei cu antimateria ar fi lasat un Univers plin de energie (fotoni) insa fara materie (stele, galaxii, planete).
Una dintre teoriile care explica disparitia antimateriei din Universul timpuriu este legata de neutrini: mai precis de natura acestor misterioase particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Neutrinii, de trei tipuri, neutrini electronici, muonici si tauonici, interactioneaza doar prin interactiuni slabe cu restul materiei; in plus, la ora actuala nu se stie daca neutrinii si antineutrinii sunt una si aceeasi particula sau, dimpotriva, doua particule diferite. Tocmai posibilitatea ca neutrinii sa fie aceeasi particula cu antineutrinii ar putea explica parte din misterul disparitiei antimateriei din Univers, intrucat ar reprezenta o dovada a neconservarii asa-numitului numar leptonic – Ettore Majorana a fost cel care in 1937 a propus aceasta posibilitate.
Cum putem studia natura neutrinilor? Sunt acestia acelasi gen de particula cu antineutrinii sau este vorba despre doua particule diferite? O alta intrebare este legata de masa neutrinilor: la ora actuala stim ca au o masa, ce aceasta este extrem de mica, dar inca nu a fost masurata. O modalitate pentru a raspunde ambelor intrebari, care este masa neutrinilor si daca antineutrinii sunt aceleasi particule cu neutrinii, este studiul proceselor de dubla dezintegrare beta fara emisie de neutrini, procese in care un nucleu se dezintegreaza in altul in urma transformarii a doi neutroni in doi protoni cu emisie de doi electroni, fara emisie de neutrini. Acest lucru este posibil doar daca neutrinii si antineutrinii sunt una si aceeasi particula.
In cadrul procesului “normal” de dubla dezintegrare beta pe langa cei doi electroni se emit si doi antineutrini.
Acest proces este studiat in cadrul mai multor experimente situate in laboratoare subterane, pentru a proteja aparatul de masura fata de razele cosmice care pot ascunde semnalul studiat.
Unul dintre cele mai recente studii este cel efectuat in cadrul colaborarii MAJORANA Demonstrator, la care participa 129 de cercetatori din 27 de institute din 6 tari, care a efectuat o masuratoare de test in laboratorul subteran american din South Dakota, Sanford Undeerground Research Facility, situat la o adancime de peste 1400 de metri.
MAJORANA Demonstrator este alcatuit din 44 de kilograme de Germaniu-76, reprezentand atat sursa de dezintegrare beta dubla cat si detectorul proceselor. Ge-76 se dezintereaza in seleniu-76, in urma transformarii a doi neutroni in doi protoni cu emisia a doi electroni . In procesele normale sunt emisi si doi antineutrini; daca insa neutrinul si antineutrinul sunt aceeasi particula emisia de neutrini poate sa nu aiba loc – este exact ceea ce MAJORANA Demostrator cauta sa masoare. In cadrul experimentului este practic masurata energia electronilor; daca nu are loc emisie de neutrini atunci aceasta energie are o valoare specifica, mai mare decat in cazul in care sunt emisi si antineutrinii.
La ora actuala cercetatorii au aratat cum sensibilitatea obtinuta este extrem de buna intr-un articol publicat recent in Phys. Review Letters. Timpul de injumatatire este de cel putin 10 la puterea 25 de ani pentru procesul cautat, aceast reprezentand o limita si nicidecum o masuratoare.
Pentru viitor cercetatorii doresc sa efectueze un experiment in care detectorul de germaniu sa aiba 1000 kg, deci de mai bine de 20 de ori mai mult decat cantitatea utilizata in masuratoarea de fata, crescand mult sensibilitatea experimentului.
Neutrinii ar putea deci dezvalui misterul disparitiei antimateriei din Univers si studiul acestora in diverse laboratoare subterane din lume este unul dintre cele mai importante la ora acttuala in fizica moderna.
Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro