Aναζητώντας το νετρίνο Majorana

Posted on 16/10/2013

1


Πείραμα GERDA: Υπάρχει η διπλή διάσπαση βήτα χωρίς εκπομπή νετρίνων ;

(νεώτερη ενημέρωση 7-6-2014)
Μετά από δύο χρόνια έρευνας, η ομάδα του πειράματος EXO-200 [Enriched Xenon Observatory)-200 experiments] ανακοίνωσε [Search for Majorana neutrinos with the first two years of EXO-200 dataότι χρόνος ημιζωής της διπλής βήτα διάσπασης του 76Ge υπολογίστηκε ίσος με 1.1∙1025 χρόνια, και εξακολουθεί να είναι μεγαλύτερος και από την ηλικία του σύμπαντος!
Έτσι, η υπόθεση ότι τα νετρίνα πρέπει να είναι φερμιόνια τύπου Majorana, δηλαδή, ότι ταυτίζονται με τα αντι-σωματίδιά τους, φαίνεται πως είναι αδύνατον να επιβεβαιωθεί.

Περισσότερα και νεώτερα για την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα ΕΔΩ: Neutrino 2014 (δείτε τις παρουσιάσεις της Παρασκευής 6 Ιουνίου: Search for Neutrinoless Double-Beta Decay)

Η ραδιενέργεια βήτα είναι μια διαδικασία κατά την οποία στο εσωτερικό του πυρήνα ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο του ηλεκτρονίου:beta_ή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο του ηλεκτρονίουbeta+Τι είναι όμως η διπλή διάσπαση βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων;

H ιδέα της διπλής διάσπασης βήτα προτάθηκε για πρώτη φορά από την Maria Goeppert-Mayer το 1935 (η Mayer είναι γνωστή στην πυρηνική φυσική από το μοντέλο φλοιών για το οποίο βραβεύθηκε με το Νόμπελ φυσικής το 1963.)

Το 1937 ο θεωρητικός Ettore Majorana απέδειξε ότι όλα τα αποτελέσματα της θεωρίας της διάσπασης βήτα παρέμεναν αναλλοίωτα αν το νετρίνο ταυτιζόταν με το αντισωματίδιό του,

Στις 25 Mαρτίου του 1938 ο ιδιοφυής φυσικός Ettore Majorana (Έττορε Mαγιοράνα), καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Nάπολης, επιβιβάστηκε στο φέρυ μπόουτ που κάνει τη διαδρομή Nάπολη – Παλέρμο. Έκτοτε αγνοούνται τα ίχνη του. Οι έρευνες δεν οδήγησαν πουθενά, άλλοι μιλάνε γι’ αυτοκτονία και άλλοι ότι κρύφτηκε στη Νότιο Αμερική.

Στις 25 Mαρτίου του 1938 ο ιδιοφυής φυσικός Ettore Majorana, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Nάπολης, επιβιβάστηκε στο φέρυ μπόουτ που κάνει τη διαδρομή Nάπολη – Παλέρμο. Έκτοτε αγνοούνται τα ίχνη του. Οι έρευνες δεν οδήγησαν πουθενά, άλλοι μιλάνε γι’ αυτοκτονία και άλλοι ότι κρύφτηκε στη Νότιο Αμερική.

ενώ το 1939, ο Wendell H. Furry πρότεινε για πρώτη φορά, ότι αν το νετρίνο ήταν ένα σωματίδιο Majorana τότε η διπλή βήτα διάσπαση θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί χωρίς την εκπομπή κάποιου νετρίνου.

Διαβάστε επίσης: Το νετρίνο Majorana δεν είναι Δράκουλας

Υπάρχει η κοινή διπλή βήτα διάσπαση, κατά την οποία δυο νετρόνια στον πυρήνα μετατρέπονται σε δυο πρωτόνια και ταυτόχρονα παράγονται δυο ηλεκτρόνια και δυο αντινετρίνα του ηλεκτρονίου, η οποία έχει παρατηρηθεί στο εργαστήριο.

Τώρα αν το νετρίνο είναι σωματίδιο Majorana, τότε η θεωρία δεν απαγορεύει την διπλή διάσπαση βήτα χωρίς την εκπομπή νετρίνων(0νββ).

Διάγραμμα Feynman για την διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων, κατά την οποία δυο νετρόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Τα μόνα εκπεμπόμενα προϊόντα είναι δυο ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να προκύψουν αν το νετρίνο και το αντινετρίνο είναι το ίδιο σωματίδιο (νετρίνο Majorana), έτσι ώστε το ίδιο νετρίνο να μπορεί να εκπεμφθεί και να απορροφηθεί από τον πυρήνα. Η ανίχνευση της διπλής βήτα διάσπασης θα επιβεβαιώσει το αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana.

Διάγραμμα Feynman για την διπλή βήτα διάσπαση χωρίς εκπομπή νετρίνων, κατά την οποία δυο νετρόνια μετατρέπονται σε νετρόνια. Τα μόνα εκπεμπόμενα προϊόντα είναι δυο ηλεκτρόνια, τα οποία μπορούν να προκύψουν αν το νετρίνο και το αντινετρίνο είναι το ίδιο σωματίδιο (νετρίνο Majorana), έτσι ώστε το ίδιο νετρίνο να μπορεί να εκπεμφθεί και να απορροφηθεί από τον πυρήνα. Η ανίχνευση της διπλής βήτα διάσπασης θα επιβεβαιώσει το αν τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana. (wikipedia.org)

Το πείραμα GERDA (GERmanium Detector Array), που στήθηκε στο Gran Sasso της Ιταλίας το 2004, έχει ως στόχο την ανίχνευση της διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα, γεγονός που θα αποδείξει ότι το νετρίνο ταυτίζεται με το αντισωματιδιό του, δηλαδή είναι σωματίδιο Majorana.

Στο πείραμα GERDA , αναζητούν διασπάσεις του γερμανίου-76 προς σελήνιο-76, που μπορεί να πραγματοποιηθεί διαμέσου του μηχανισμού της διπλής διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα.

Η ομάδα των επιστημόνων που πραγματοποιεί το πείραμα δημοσίευσε τα μέχρι τώρα αποτελέσματα των μετρήσεων, στο περιοδικό Physical Review Letters (Results on Neutrinoless Double-β Decay of 76Ge from Phase I of the GERDA Experiment).

Σύμφωνα με την ανακοίνωση δεν παρατηρήθηκε καμία τέτοια διάσπαση, και αν πράγματι συμβαίνει τότε θα πραγματοποιείται πολύ σπάνια, δεδομένου ότι χρόνος ημιζωής της διπλής βήτα διάσπασης του 76Ge υπολογίζεται μεγαλύτερος από 3∙1025 χρόνια, δηλαδή μεγαλύτερος και από την ηλικία του σύμπαντος!

Aυτό είναι το αποτέλεσμα της πρώτης φάσης του πειράματος. Θα ακολουθήσει και δεύτερη φάση, όπου θα χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη ποσότητα 76Ge, καθώς επίσης και βελτιωμένες τεχνικές που θα αυξήσουν την ευαισθησία του πειράματος κατά έναν παράγοντα 10.

Αν στην φάση ΙΙ του πειράματος GERDA, ανιχνευθεί τελικά η διπλή β διάσπαση (χωρίς νετρίνα), τότε σίγουρα θα πρόκειται για μια από τις μεγαλύτερες πειραματικές επιτυχίες.

Διαβάστε περισσότερα:
1. Recent Results in Neutrinoless Double Beta Decay, Lisa J. Kaufman
2. Results on Neutrinoless Double-β Decay of 76Ge from Phase I of the GERDA Experiment, Gerda collaboration