Το μυστικό της μάζας των νετρίνων …

Posted on 13/04/2016

0


… κρύβεται σε ισότοπο του ασβεστίου

Credit: B. Alex Brown

Η διάσπαση βήτα είναι μια διαδικασία κατά την οποία στο εσωτερικό του πυρήνα ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο ή ένα πρωτόνιο μετατρέπεται σε νετρόνιο εκπέμποντας ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Στην διπλή διάσπαση β του σχήματος (0νββ), δυο νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνια και εκπέμπονται δυο ηλεκτρόνια χωρίς την εκπομπή νετρίνων (Credit: B. Alex Brown)

Τα νετρίνα μπορεί να ανακαλύφθηκαν πριν από 60 και πλέον χρόνια, ωστόσο οι φυσικοί δεν γνωρίζουν ακόμα θεμελιώδεις ιδιότητές τους, όπως την μάζα τους (είναι γνωστό το άνω όριο περίπου 3.6 x 10-36 kg) ή το αν τα νετρίνα και τα αντινετρίνα είναι στην πραγματικότητα τα ίδια σωματίδια.

Ένα πείραμα που μπορεί να δώσει μια απάντηση όσον αφορά τη μάζα των νετρίνων είναι η αποκαλούμενη διπλή διάσπαση βήτα, χωρίς εκπομπή νετρίνων (0νββ). Κατά τη διάσπαση αυτή στο εσωτερικό του πυρήνα δυο νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνια και εκπέμπονται δυο ηλεκτρόνια. Ένα τέτοιo παράδειγμα είναι η διάσπαση του ασβεστίου-48 (ένα πολύ σπάνιο ισότοπο του ασβεστίου – αποτελεί το 0.187% του φυσικού ασβεστίου) προς τιτάνιο-48.

Αυτή η διαδικασία αναλύθηκε και μοντελοποιήθηκε με μεγάλη λεπτομέρεια από τους Iwata et al [Large-Scale Shell-Model Analysis of the Neutrinoless ββ Decay of  48Ca – http://arxiv.org/pdf/1602.07822v1.pdf ]

Ο χρόνος ημίσειας ζωής του ισοτόπου ασβέστιο-48 εξαρτάται από δύο παράγοντες: Την άγνωστη μάζα των νετρίνων (τα οποία είναι μέρος της διαδικασίας, ακόμα και αν κανένα από αυτά δεν εκπέμπεται τελικά) και τα χαρακτηριστικά του  μητρικού (48Ca) και θυγατρικού πυρήνα (48Ti). Αυτό σημαίνει ότι, αν γνωρίζουμε αυτά τα πυρηνικά χαρακτηριστικά, και όταν ο χρόνος ημίσειας ζωής μετρηθεί πειραματικά σε κάποιο από τα υπόγεια εργαστήρια που πραγματοποιούν τέτοιες έρευνες, τότε θα είναι δυνατός ο προσδιορισμός της μάζας των νετρίνων.

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.

Το επίτευγμα της ερευνητικής ομάδας είναι μια αξιόπιστη περιγραφή των πυρήνων χρησιμοποιώντας εξαιρετικά περίπλοκους κβαντομηχανικούς υπολογισμούς χρησιμοποιώντας τέταρτο ταχύτερο υπερ-υπολογιστή του κόσμου, τον υπολογιστή Κ στο ινστιτούτο RIKEN στην Ιαπωνία.

Σύμφωνα με τον Ισπανό Javier Menéndez, που συνεργάζεται με την Ιαπωνική ομάδα, «για τον υπολογισμό της μάζας του νετρίνου το μόνο που απομένει τώρα είναι να μετρηθεί πειραματικά ο χρόνος ημιζωής του ασβεστίου-48». Επιπλέον, η ερευνητική ομάδα υπολόγισε πως ο χρόνος ζωής του ασβεστίου-48 είναι περίπου 2 x 1025 χρόνια, και όχι 4 x 1025 χρόνια, όπως μέχρι τώρα θεωρούνταν. Αυτό βελτιώνει τις πιθανότητες παρατήρησης της διάσπασης.

Σε κάθε περίπτωση, πρόκειται για μια εξαιρετικά σπάνια και αργή εκπομπή, καθώς μεσολαβούν δύο ταυτόχρονες διασπάσεις β. Χρειάζονται τρισεκατομμύρια χρόνια να συμβεί και είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί. Γι αυτό τα σχετικά πειράματα γίνονται σε υπόγεια εργαστήρια, όσο το δυνατόν μακριά από οποιοδήποτε εξωτερική ακτινοβολία  υποβάθρου. Το πείραμα στο Ιαπωνικό παρατηρητήριο Kamioka (βραβείο νόμπελ 2015 για την έρευνα νετρίνων) και το πείραμα NEMO III στο τούνελ Fréjus στη Γαλλία εργάζονται προς αυτή την κατεύθυνση.

Μετά την παρουσίαση της μελέτης του ασβεστίου-48, οι ερευνητές μελετούν με τον ίδιο τρόπο πιο περίπλοκους πυρήνες που διασπώνται με διπλή διάσπασης βήτα χωρίς νετρίνα, όπως το γερμάνιο-76, το σελήνιο-82 και το ξένον-136.

Διαβάστε επίσης: Aναζητώντας το νετρίνο Majorana 

Το πιο ενδιαφέρον στην έρευνα αυτή είναι η επιβεβαίωση ότι τα νετρίνα δεν εκπέμπονται κατά τη διάρκεια της διπλής διάσπασης, καθώς αυτό θα σήμαινε ότι νετρίνα και αντινετρίνα είναι το ίδιο σωματίδιο. Μια τεράστια ανακάλυψη που θα άξιζε και βραβείο Νόμπελ σύμφωνα με τον Menéndez. Αν συνέβαινε κάτι τέτοιο τότε θα μπορούσαμε να πούμε ότι τα νετρίνα είναι σωματίδια Majorana. Επιπλέον, θα δημιουργούσε μια ασυμμετρία που θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η ύλη κυριάρχησε της αντιύλης στο σύμπαν. Τα νετρίνα Majorana θα επέτρεπαν τη δημιουργία περισσότερης ύλης από αντιύλη τις πρώτες στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη – για παράδειγμα, στη διπλή διάσπαση β χωρίς νετρίνα εκπέμπονται δυο ηλεκτρόνια (δημιουργία της ύλης), αλλά όχι αντινετρίνα.

πηγή: http://scienmag.com/calcium-isotope-holds-the-secret-to-the-mass-of-neutrinos/

Ετικέτα: