Underjordisk neutrinoeksperiment sætter scenen for dyb opdagelse om stof

Hvis lige store mængder stof og antistof var dannet i Big Bang for mere end 13 milliarder år siden, den ene ville have tilintetgjort den anden ved mødet, og nutidens univers ville være fuld af energi, men ligegyldigt at danne stjerner, planeter og liv. Men materien eksisterer nu. Det faktum tyder på, at der er noget galt med standardmodelligninger, der beskriver symmetri mellem subatomære partikler og deres antipartikler. I en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , samarbejdspartnere til MAJORANA DEMONSTRATOR, et eksperiment ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, har vist, at de kan skærme en følsom, skalerbar 44-kilogram germanium-detektor-array fra baggrundsradioaktivitet.

Denne præstation er afgørende for at udvikle og foreslå et meget større fremtidigt eksperiment - med cirka et ton detektorer - for at studere neutrinoers natur. Disse elektrisk neutrale partikler interagerer kun svagt med stof, gør deres opdagelse ekstremt vanskelig.

"Overskuddet af stof i forhold til antistof er et af de mest overbevisende mysterier i videnskaben, " sagde John Wilkerson fra ORNL og University of North Carolina, Chapel Hill. Wilkerson leder MAJORANA DEMONSTRATOR, som involverer 129 forskere fra 27 institutioner og 6 nationer. "Vores eksperiment søger at observere et fænomen kaldet 'neutrinoløst dobbelt-beta-henfald' i atomkerner. Observationen ville vise, at neutrinoer er deres egne antipartikler og har dybtgående implikationer for vores forståelse af universet. disse målinger kunne give en bedre forståelse af neutrinomassen."

I en rapport fra 2015 fra U.S. Nuclear Science Advisory Committee til Department of Energy og National Science Foundation, et amerikansk-ledet tonskala-eksperiment til at detektere neutrinoløst dobbelt-beta-henfald blev anset for at være en topprioritet for kernefysiksamfundet. Næsten et dusin eksperimenter har søgt neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, og lige så mange fremtidige eksperimenter er blevet foreslået. En af deres nøgler til succes afhænger af at undgå baggrund, der kunne efterligne signalet om neutrinoløst dobbelt-beta-henfald.

Det var den vigtigste præstation for MAJORANA DEMONSTRATOR. Dens implementering blev afsluttet i South Dakota i september 2016, næsten en kilometer under jorden ved Sanford Underground Research Facility. At placere eksperimentet under næsten en kilometer sten var det første af mange skridt, samarbejdspartnere tog for at reducere interferens fra baggrunden. Andre trin inkluderede en kryostat lavet af verdens reneste kobber og et komplekst sekslags skjold for at eliminere interferens fra kosmiske stråler, radon, støv, fingeraftryk og naturligt forekommende radioaktive isotoper.

"Hvis du vil søge efter neutrinoløst dobbelt-beta-henfald, det er vigtigt at vide, at radioaktiv baggrund ikke vil overvælde det signal, du søger, " sagde ORNLs David Radford, en ledende videnskabsmand i forsøget.

Der er mange måder, hvorpå en atomkerne kan falde fra hinanden. En almindelig henfaldstilstand sker, når en neutron inde i kernen udsender en elektron (kaldet en "beta") og en antineutrino for at blive en proton. I to-neutrino dobbelt-beta henfald, to neutroner henfalder samtidigt for at producere to protoner, to elektroner og to antineutrinoer. Denne proces er blevet observeret. MAJORANA-samarbejdet søger beviser for en lignende forfaldsproces, som aldrig er blevet observeret, hvor der ikke udsendes neutrinoer.

Bevarelse af antallet af leptoner - subatomære partikler såsom elektroner, myoner eller neutrinoer, der ikke deltager i stærke interaktioner - blev skrevet ind i Standard Model of Physics. "Der er ingen rigtig god grund til dette, bare den observation, at det ser ud til, at det er tilfældet, " sagde Radford. "Men hvis leptontallet ikke er bevaret, når føjet til processer, som vi tror skete under det meget tidlige univers, Det kunne hjælpe med at forklare, hvorfor der er mere stof end antistof."

Mange teoretikere mener, at leptontallet ikke er bevaret, at neutrinoen og antineutrinoen – som blev antaget at have modsatte leptontal – i virkeligheden er den samme partikel, der spinder på forskellige måder. Den italienske fysiker Ettore Majorana introducerede dette koncept i 1937, forudsige eksistensen af ​​partikler, der er deres egne antipartikler.

MAJORANA DEMONSTRATOR bruger germaniumkrystaller som både kilden til dobbelt-beta-henfald og midlet til at opdage det. Germanium-76 (Ge-76) henfalder til selen-76, som har en mindre masse. Når germanium henfalder, masse bliver omdannet til energi, der bliver båret væk af elektronerne og antineutrinoerne. "Hvis al den energi går til elektronerne, så er der ingen tilbage til neutrinoer, " sagde Radford. "Det er en klar identifikator for, at vi fandt den begivenhed, vi ledte efter."

Forskerne skelner mellem to-neutrino versus neutrinofri henfaldstilstande ved deres energisignaturer. "Det er en almindelig misforståelse, at vores eksperimenter opdager neutrinoer, " sagde Jason Detwiler fra University of Washington, som er medtalsmand for MAJORANA-samarbejdet. "Det er næsten komisk at sige det, men vi søger efter fraværet af neutrinoer. I det neutrinolløse henfald, den frigivne energi er altid en bestemt værdi. I to-neutrino-versionen, den frigivne energi varierer, men er altid mindre end for neutrinoløst dobbelt-beta-henfald."

MAJORANA DEMONSTRATOR har vist, at den neutrinoløse dobbelt-beta-henfaldshalveringstid for Ge-76 er mindst 10 ²⁵ år - 15 størrelsesordener længere end universets alder. Så det er umuligt at vente på, at en enkelt germaniumkerne forfalder. "Vi kommer uden om umuligheden af ​​at se én kerne i lang tid ved i stedet at se i størrelsesordenen 10 ²⁶ kerner i kortere tid, " forklarede medtalsmand Vincente Guiseppe fra University of South Carolina.

Chancerne for at opdage et neutrinoløst dobbelt-beta-henfald i Ge-76 er sjældne - ikke mere end 1 for hver 100, 000 to-neutrino dobbelt-beta henfald, sagde Guiseppe. Brug af detektorer, der indeholder store mængder germaniumatomer, øger sandsynligheden for at få øje på de sjældne henfald. Mellem juni 2015 og marts 2017, forskerne observerede ingen hændelser med energiprofilen af ​​neutrinolfrit henfald, den proces, der endnu ikke er blevet observeret (dette var forventet i betragtning af det lille antal germaniumkerner i detektoren). Imidlertid, de blev opmuntret til at se mange begivenheder med energiprofilen af ​​to-neutrino-henfald, at verificere detektoren kunne få øje på den henfaldsproces, der er blevet observeret.

MAJORANA Collaborations resultater falder sammen med nye resultater fra et konkurrerende eksperiment i Italien kaldet GERDA (for GERmanium Detector Array), som har en komplementær tilgang til at studere det samme fænomen. "MAJORANA DEMONSTRATOR og GERDA har sammen den laveste baggrund af et neutrinoløst dobbelt-beta-forfaldseksperiment, " sagde Radford.

DEMONSTRATOREN blev designet til at lægge grunden til et eksperiment i tonskala ved at demonstrere, at baggrunde kan være lave nok til at retfærdiggøre bygning af en større detektor. Ligesom større teleskoper samler mere lys og muliggør visning af svagere genstande, forøgelse af massen af ​​germanium giver større sandsynlighed for at observere det sjældne henfald. Med 30 gange mere germanium end det nuværende eksperiment, det planlagte et-tons eksperiment ville være i stand til at spotte det neutrinoløse dobbelt-beta-henfald af kun én germaniumkerne om året.

MAJORANA DEMONSTRATOR er planlagt til at fortsætte med at tage data i to eller tre år. I mellemtiden en fusion med GERDA er i færd med at udvikle en mulig et-tons detektor kaldet LEGEND, planlagt bygget i etaper på et endnu ikke fastlagt sted.

LEGEND 200, LEGEND-demonstratoren og skridt mod et muligt fremtidigt eksperiment i tonskala, vil være en kombination af GERDA, MAJORANA og nye detektorer. Forskere håber at kunne starte på den første fase af LEGEND 200 i 2021. Et eksperiment i tonskala, LEGEND 1000, ville være næste fase, hvis godkendt. "Denne fusion udnytter offentlige investeringer i MAJORANA DEMONSTRATOR og GERDA ved at kombinere de bedste teknologier fra hver, " sagde LEGEND Collaboration medtalsperson (og mangeårig MAJORANA talsmand indtil sidste år) Steve Elliott fra Los Alamos National Laboratory.

Titlen på Physical Review Letters papiret er "Søg efter Neutrinoless Double Beta Decay i 76Ge med MAJORANA DEMONSTRATOR."