Studiul neutrinilor si misterul disparitiei antimateriei

Studiul neutrinilor ar putea contribui la descifrarea misterul disparitiei antimaterie din univers imediat dupa Big Bang. Diverse proiecte de cercetare stiintifica din toata lumea studiaza aceste minuscule particule. Printre acestea si MAJORANA demonstrator, în laboratorul subteran american Sanford Underground Research Facility, unde se încearca sa se descopere dezintegrarile beta duble fara emisie de neutrini.

Modelul standard al cosmologiei ne spune ca universul, adica materia, spatiul si timpul, a luat nastere acum circa 13,8 miliarde de ani în urma Big Bangului. Imediat dupa Big Bang însa, conform acestui model, în univers existau cantitati egale de materie si antimaterie.  Ce s-a întâmplat atunci cu antimateria, unde a disparut? Faptul ca în Univers nu exista urme de antimaterie înseamna ca aceasta a disparut; anihilarea materiei cu antimateria ar fi lasat un univers plin de energie (fotoni), însa fara materie (stele, galaxii, planete).

Una dintre teoriile care explica disparitia antimateriei din Universul timpuriu este legata de neutrini: mai precis de natura acestor misterioase particule din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare. Neutrinii, de trei tipuri, neutrini electronici, miuonici si tauonici, interactioneaza doar prin interactiuni slabe cu restul materiei.

In prezent nu se stie daca neutrinii si antineutrinii sunt una si aceeasi particula sau, dimpotriva, doua particule diferite.

Tocmai posibilitatea ca neutrinii sa fie aceeasi particula cu antineutrinii ar putea explica parte din misterul disparitiei antimateriei din Univers, întrucât ar reprezenta o dovada a neconservarii asa-numitului numar leptonic. Ettore Majorana a fost cel care în 1937 a propus aceasta posibilitate.

Cum putem studia natura neutrinilor?

Sunt acestia acelasi gen de particula cu antineutrinii sau este vorba despre doua particule diferite? O alta întrebare este legata de masa neutrinilor: la ora actuala stim ca au o masa, ca aceasta este extrem de mica, dar înca nu a fost masurata.

O modalitate pentru a raspunde ambelor întrebari, care este masa neutrinilor si daca antineutrinii sunt aceleasi particule cu neutrinii, o reprezinta studiul proceselor de dubla dezintegrare beta fara emisie  de neutrini, procese în care un nucleu se dezintegreaza în altul în urma transformarii a doi neutroni în doi protoni cu emisie de doi electroni, fara emisie de neutrini. Acest lucru este posibil doar daca neutrinii si antineutrinii sunt una si aceeasi particula. 

În cadrul procesului “normal” de dubla dezintegrare beta pe lânga cei doi electroni se emit si doi antineutrini.

Acest proces este studiat în cadrul mai multor proiecte derulate în laboratoare subterane, pentru a proteja aparatele de masura de razele cosmice, care pot ascunde semnalul studiat.

Unul dintre cele mai recente studii este cel efectuat în cadrul proiectului de cercetare MAJORANA Demonstrator, la care participa 129 de cercetatori din 27 de institute din 6 tari, care a efectuat o masuratoare de test în laboratorul subteran american din South Dakota, Sanford Undeerground Research Facility, situat la o adâncime de peste 1.400 de metri.

Sanford Underground Research Facility

MAJORANA Demonstrator este alcatuit din 44 de kilograme de Germaniu-76, reprezentând atât sursa de dezintegrare beta dubla, cât si detectorul proceselor. Ge-76 se dezintegreaza  în seleniu-76, în urma transformarii a doi neutroni în doi protoni cu emisia a doi electroni. În procesele normale sunt emisi si doi antineutrini.

Daca, însa, neutrinul si antineutrinul sunt aceeasi particula, emisia de neutrini poate sa nu aiba loc Este exact ceea ce MAJORANA Demostrator cauta sa masoare. În cadrul experimentului este practic masurata energia electronilor. Daca nu are loc emisie de neutrini atunci aceasta energie are o valoare specifica, mai mare decât în cazul în care sunt emisi si antineutrinii.

La ora actuala cercetatorii au aratat cum sensibilitatea obtinuta este extrem de buna într-un articol publicat recent în Physical Review Letters. Timpul de înjumatatire este de cel putin 1025 ani pentru procesul cautat, aceasta reprezentând o limita si nicidecum o masuratoare.

Pentru viitor cercetatorii doresc sa efectueze un experiment în care detectorul de germaniu sa aiba 1.000 kg, deci de mai bine de 20 de ori mai mult decât cantitatea utilizata în masuratoarea de fata, crescând mult sensibilitatea experimentului.

Neutrinii ar putea deci  dezvalui misterul disparitiei antimateriei din univers si studiul acestora în diverse laboratoare subterane din lume este unul dintre cele mai importante în fizica moderna.

Scientia.ro

Bogdan

Per aspera ad astra