GERDA -eksperiment klar til at opdage sjældneste radioaktivt henfald

Hvorfor er der mere stof end antimateriale i universet? Årsagen kan være skjult i neutrinonaturen:en af ​​de foretrukne teoretiske modeller antager, at disse elementarpartikler var identiske med deres egne antipartikler. Dette ville igen føre til en ekstremt sjælden atomforfaldsproces, det neutrinløse dobbelt-beta-henfald (0νββ). Eksperimentet GERDA har nu nået en vigtig forbedring i søgen efter 0νββ-henfald ved at reducere forstyrrelserne (baggrunden) til et hidtil uset lavt niveau, hvilket gør det til det første "baggrundsfrie" eksperiment i feltet. Denne præstation er rapporteret i de seneste Natur artikel vist 6. april, 2017.

Neutrinoer er spøgelsesagtige partikler, som er ekstremt svære at opdage. De spiller en central rolle i, hvordan solen brænder, hvordan supernovaer eksploderer, og hvordan elementer dannes under big bang. At bestemme deres egenskaber har fremskreden vores forståelse af elementarpartikler betydeligt, bedst dokumenteret ved, at der hidtil er blevet uddelt fire nobelpriser til neutrino -relateret forskning. En grundlæggende egenskab er stadig ukendt:er neutrinos Majorana -partikler, dvs. identiske med deres egne antipartikler? I så fald vil 0νββ henfald eksistere. Stærke teoretiske argumenter favoriserer denne mulighed, og ovennævnte fravær af anti-stof i vores univers er sandsynligvis forbundet med Majorana-karakteren af ​​neutrinoer.

"Normalt" dobbelt beta -henfald er en tilladt sjælden proces, hvor to neutroner i en kerne henfalder samtidigt til to protoner, to elektroner og to anti-neutrinoer. Det er blevet observeret for nogle kerner som 76Ge, hvor enkelt beta -henfald ikke er muligt. Elektronerne og anti-neutrinoerne forlader kernen, kun elektronerne kan detekteres. Ved 0νββ henfald, ingen neutrinoer forlader kernen, og summen af ​​elektronernes energier er identisk med den velkendte energifrigivelse af forfaldet. Måling af præcis denne energi er den primære signatur for 0νββ henfald.

På grund af vigtigheden af ​​0νββ henfald i at afsløre karakteren af ​​neutrinoer og ny fysik, der er omkring et dusin eksperimenter på verdensplan med forskellige teknikker og isotoper. GERDA -eksperimentet er et af de førende eksperimenter på området, udført af et europæisk samarbejde. Det er placeret i det underjordiske Laboratori Nazionali del Gran Sasso fra den italienske forskningsorganisation INFN.

GERDA bruger germanium-detektorer med høj renhed beriget med isotopen 76Ge. Da germanium er kilde og detektor på samme tid, et kompakt setup med minimum ekstra materialer kan realiseres, hvilket fører til lave baggrunde og høj registreringseffektivitet. Den fremragende energiopløsning af germaniumdetektorer og de nye eksperimentelle teknikker udviklet af GERDA -samarbejdet giver hidtil uset undertrykkelse af forstyrrende hændelser fra andre radioaktive henfald (baggrundshændelser). Da 0νββ henfald har en halveringstid mange størrelsesordener længere end universets alder, reduktionen af ​​baggrundsbegivenheder er mest afgørende for følsomheden.

De bare germanium -detektorer drives i 64 m ³ af flydende argon ved en temperatur på -190 grader Celsius. Selve argonbeholderen er inde i en 590 m ³ tank fyldt med rent vand, som igen er afskærmet af Gran Sasso -bjerget mod kosmiske stråler. Det anvendte argon og vand er ekstremt rent i uran og thorium; væskerne fungerer som yderligere afskærmning for naturlig radioaktivitet fra omgivelserne. Deres instrumentering giver yderligere midler til baggrundsidentifikation.

De nye teknikker, der anvendes af GERDA, reducerede antallet af baggrundshændelser på en sådan måde, at det nu er det første "baggrundsfrie" eksperiment på området. Der er ikke observeret 0νββ-henfald i løbet af de første fem måneders datatagning og en lavere halveringstid på 5x10 ²⁵ år blev afledt. Indtil slutningen af ​​datatagning i 2019 bør der ikke efterlades nogen baggrundshændelse i energiområdet, hvor 0νββ -signalet forventes og en følsomhed på 10 ²⁶ år vil blive nået. Dette gør GERDA bedst egnet til at opdage et signal, som ville manifestere sig ved et lille antal hændelser ved signalenergien.