Neutrinii sunt cele mai misterioase particule din Modelul Standard al fizicii particulelor elementare. Încă nu se știe dacă neutrinul și anti-neutrinul sunt una și aceeași particulă sau particule diferite. Din acest motiv experimentele care caută să descopere natura neutrinilor sunt extrem de importante; printre acestea se numără și MAJORANA demonstrator care a publicat recent un nou rezultat – o limită a dezintegrării duble beta fără emisie de neutrini.

Neutrinii

Neutrinii sunt particule care fac parte din Modelul Standard al fizicii particulelor elementare. Există trei tipuri de neutrini: cei electronici, cei muonici și de tip tau – în funcție de particula pe care o însoțesc în procesele de interacțiune nucleară slabă. Se știe că neutrinii au masă – deoarece au fost observate așa-numitele procese de oscilație ale neutrinilor, adică transformarea unui neutrin dintr-un tip în altul; de exemplu neutrini muonici care se transformă în neutrini de tip tau. Un astfel de proces cuantic este posibil doar dacă neutrinii au masă. Care este însă masa neutrinilor încă nu știm – toate experimentele care au fost făcute până în prezent au reușit doar să pună limite asupra masei – fără să o măsoare. Masa neutrinilor este extrem de importantă și în astrofizică și cosmologie, deoarece stelele și supernovele emit extrem de mulți neutrini. De exmplu în Soare procesele de fuziune nucleară dau naștere la multe miliarde de miliarde de neutrini (circa 10 la puterea 38 în fiecare secundă); circa 60 de miliarde de neutrini străbat fiecare centimetru pătrat de pe Pământ. Studiul neutrinilor este însă foarte dificil – deoarece interacționează extrem de slab cu materia. Un alt mister învăluie neutrinii – sunt aceștia indentici cu antineutrinii?

Natura neutrinilor

Una dintre întrebările care nu au încă un răspuns legat de neutrini este natura acestora: sunt neutrinii identici sau nu cu antineutrinii? Diverse teorii din fizică susțin că neutrinul și antineutrinul sunt aceeași particulă  – denumită în acest caz neutrin de tip Majorana. Alte teorii însă susțin că neutrinul și antineutrinul sunt particule diferite – particule de tip Dirac. Răspunsul la această întrebare are un impact extrem de puternic inclusiv în descifrarea misterului dispariției antimateriei din Univers imediat după Big Bang. Se crede că după Big Bang numărul de particule era egal cu numărul antiparticulelor. La ora actuală în Univers observăm doar materie. Ce s-a întâmplat cu antimateria? S-a demonstrat că simetriile legilor naturii sunt „rupte” – materia și antimateria nu respectă exact aceleași legi (cel puțin pentru interacțiunea nucleară slabă). Ceea ce s-a măsurat însă cantitativ nu este de ajuns să explice dispariția completă a  antimateriei; natura neutrinilor – Dirac sau Majorana – ar putea să contribuie în mod decisiv la înțelegerea teoriei și proceselor care au avut loc imediat după Big Bang.

Dubla dezintegrare beta (fără neutrini)

Cum se studiază natura neutrinilor? Unul dintre procesele cele mai studiate este așa-numita dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini. Să vedem despre ce este vorba: anumite nuclee se dezintegrează emițând electroni (beta) și antineutrini. Dacă sunt emiși doi electroni se așteaptă să fie emiși doi antineutrini (electronici). Dacă neutrinul și antineutrinul sunt aceeași particulă acest proces ar putea avea loc prin emisia de doi electroni însă fără emisie de neutrini. Dacă însă neutrinul este o particulă de tip Dirac atunci pe lângă cei doi electroni vor exista mereu și doi antineutrini. Mai multe experimente caută să măsoare duble dezintegrări beta fără emisie de neutrini.

Nou rezultat de la MAJORANA demonstrator

Într-un articol publicat recent în Physical Review Letters experimentul MAJORANA demonstrator prezintă rezultatele unor măsurători care au durat circa 5 ani în laboratorul subteran Sanford Underground Research Facility în South Dakota, situat la circa 1.500 metri profunzime. MAJORANA demonstrator a măsurat dezintegrarea dublă beta a germaniului 76 (izotop al germaniului) folosind un detector îmbogățit în acest izotop, cu o masă de circa 30 kg. Nu au fost măsurate semnale ale dublei dezintegrări beta fără emisie de neutrini, și a fost pusă o limită asupra vieții medii a acestui proces de circa 10 la puterea 26 de ani (adică de circa 10 la puterea 16 ori mai mare decât viața Universului nostru!).

LEGEND               

Pe viitor a fost propus un nou experiment, LEGEND, care să folosească o cantitate mult mai mare (teoretic se speră să se ajungă la 1.000 kg) de germaniu. Un experiment mult mai sensibil care ori va descoperi procese de dezintegrare dublă beta fără neutrini, ori va pune limite și mai puternice asupra teoriilor care prevăd existența acestei dezintegrări.

Credit imagine: Sanford Underground Research Facility in South Dakota

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe