Store skridt fremad i forståelsen af ​​neutrinoegenskaber

I jagten på at bevise, at stof kan fremstilles uden antistof, GERDA-eksperimentet ved Gran Sasso Underground Laboratory i Italien leder efter tegn på neutrinofrit dobbelt beta-henfald. Eksperimentet har den største følsomhed på verdensplan til at opdage det pågældende henfald. For yderligere at forbedre chancerne for succes, et opfølgende projekt, LEGENDE, bruger et endnu mere raffineret henfaldseksperiment.

Mens standardmodellen for partikelfysik stort set er forblevet uændret siden dens første udformning, eksperimentelle observationer for neutrinoer har tvunget neutrinodelen af ​​teorien til at blive genovervejet i sin helhed.

Neutrinoscillation var den første observation, der ikke var i overensstemmelse med forudsigelserne, og beviser, at neutrinoer har ikke-nul masser, en egenskab, der er i modstrid med Standardmodellen. I 2015 denne opdagelse blev belønnet med Nobelprisen.

Derudover der er den mangeårige formodning om, at neutrinoer er såkaldte Majorana-partikler:I modsætning til alle andre bestanddele af stof, neutrinoer kan være deres egne antipartikler. Dette ville også forklare, hvorfor der er så meget mere stof end antistof i universet.

GERDA-eksperimentet er designet til at granske Majorana-hypotesen ved at søge efter det neutrinoløse dobbelte beta-henfald af germanium-isotopen ⁷⁶ Ge:To neutroner inde i en ⁷⁶ Ge-kernen omdannes samtidig til to protoner med emission af to elektroner. Dette henfald er forbudt i standardmodellen, fordi de to antineutrinoer – den balancerende antistof – mangler.

Det tekniske universitet i München (TUM) har været en nøglepartner i GERDA-projektet (GERmanium Detector Array) i mange år. Prof. Stefan Schönert, som leder TUM-forskningsgruppen, er foredragsholder for det nye LEGEND-projekt.

GERDA-eksperimentet opnår ekstreme niveauer af følsomhed

GERDA er det første eksperiment til at nå usædvanligt lave niveauer af baggrundsstøj og har nu overgået halveringstidens følsomhed for henfald på 10 ²⁶ flere år. Med andre ord, GERDA beviser, at processen har en halveringstid på mindst 10 ²⁶ flere år, eller 10, 000, 000, 000, 000, 000 gange universets alder.

Fysikere ved, at neutrinoer er mindst 100, 000 gange lettere end elektroner, de næste tungeste partikler. Deres nøjagtige masse, imidlertid, er stadig ukendt, og er et andet vigtigt forskningsemne.

I standardfortolkningen, halveringstiden for det neutrinoløse dobbeltbeta-henfald er relateret til en speciel variant af neutrinomassen kaldet Majorana-massen. Baseret på den nye GERDA-grænse og dem fra andre eksperimenter, denne masse skal være mindst 1 million gange mindre end en elektrons, eller i fysikernes termer, mindre end 0,07 til 0,16 eV/c ² .

I partikelfysik er masser angivet ikke i kilogram, men snarere i overensstemmelse med Einsteins ligning E=mc ² :elektronvolt [eV] divideret med lysets hastighed i anden. Elektronvolt er et mål for energi. Denne konvention bruges til at omgå ufatteligt små masseenheder:1 eV/c ² svarer til 1,8 × 10 ^-36 kilogram.

I overensstemmelse med andre eksperimenter

Derudover andre eksperimenter begrænser neutrinomassen:Planck-missionen giver en grænse for en anden variant af neutrinomassen - summen af ​​masserne af alle kendte neutrinotyper er mindre end 0,12 til 0,66 eV/c ² .

Tritium-henfaldsforsøget KATRIN ved Karlsruhe Institute of Technology (KIT) er sat op til at måle neutrinomassen med en følsomhed på omkring 0,2 eV/c ² i de kommende år. Disse masser er ikke direkte sammenlignelige, men de giver et krydstjek af paradigmet om, at neutrinoer er Majorana-partikler. Indtil nu, der er ikke observeret nogen uoverensstemmelse.

Fra GERDA til LEGEND

I løbet af den rapporterede dataindsamlingsperiode, GERDA-drevne detektorer med en samlet masse på 35,6 kg ⁷⁶ Ge. Nu, et nydannet internationalt samarbejde, LEGENDE, vil øge denne masse til 200 kg ⁷⁶ Ge indtil 2021 og reducere baggrundsstøjen yderligere. Målet er at opnå en følsomhed på 10 ²⁷ år inden for de næste fem år.