Neutrinii sunt cele mai misterioase particule din cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare; nu se ştie ce masă au şi nici dacă neutrinii şi antineutrinii sunt una şi aceeaşi particulă sau particule diferite. În acest context Proiectul de cercetare GERDA de la laboratorul subteran de la Gran Sasso a stabilit un nou record în studiul aşa-numitelor procese de dublă dezintegrare beta fără neutrini.


Pe lângă electroni, protoni şi neutroni (la rândul lor compuşi din quarcuri) în univers există multe alte particule, care au fost descoperite în urma studiului razelor cosmice ori la acceleratoarele de particule. Dintre aceste particule neutrinii sunt, poate, cei mai misterioşi. Există trei tipuri de neutrini, cei electronici, cei miuonici şi cei tauonici, asociaţi cu electronii, miuonii şi tauonii. 


Particulele elementare sunt împărţite în două categorii:
· Bosonii, particule forţă, cu spin întreg.
· Fermionii, particule cu masă, clasificaţi în leptoni şi quarcuri.

 


 

O vreme îndelungată s-a crezut că neutrinii nu au masă – un fel de fantome, fără sarcină electrică, fără structură internă şi fără masă, care bântuie prin univers. Recent însă s-a descoperit procesul oscilaţiei neutrinilor, adică transformarea neutrinilor dintr-un tip în altul, un proces cuantic ce poate avea loc doar dacă neutrinii au masă. Aceasta însă este extrem de mică, atât de mică, încât nimeni nu a fost în stare până în prezent să o măsoare, fiind de cel puţin 100.000 de ori mai mică decât masa electronului. Ba mai mult, nu se ştie nici dacă neutrinii şi antineutrinii (antiparticulele neutrinilor) sunt particule diferite sau, dimpotrivă, una şi aceeaşi particulă – în această ultimă situaţie neutrinii ar fi de tip Majorana, după numele celui care a propus ideea conform căreia neutrinii şi antineutrinii ar fi identici.

Procesele de dublă dezintegrare beta fără neutrini

În acest context Proiectul GERDA de la laboratorul subteran italian de la Gran Sasso a obţinut un record de sensibilitate în căutarea aşa-numitelor procese de dublă dezintegrare beta fără neutrini. Să vedem despre ce este deci vorba.

GERDA caută procese de dezintegrare ale nucleelor de germaniu, izotopul 76Ge, în urma cărora doi neutroni se transformă în doi protoni în nucleu, cu emisia a doi electroni, fără niciun neutrino. Acest proces este  interzis în cadrul modelului standard al fizicii particulelor elementare. În mod obişnuit procesul de dublă dezintegrare beta are loc cu emisia de doi antineutrini electronici. Dacă însă s-ar măsura un proces fără emisie de antineutrini, ar însemna că neutrinul şi antineutrinul sunt una şi aceeaşi particulă – neutrinul a fost emis şi absorbit în interiorul nucleului de germaniu.

 



GERDA a obţinut un nou record de sensibilitate – punând o limită superioară asupra duratei medii pentru un eventual proces de dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini. Sensibilitatea obţinută de GERDA privind durata medie a procesului este de 1026 ani, adică  de 10.000.000.000.000.000 de ori mai mult decât durata de viaţă a universului!

GERDA a reuşit să obţină şi o limită superioară a masei neutrinului: aceasta este mai mică decât a milioana parte din masa electronului.

Pentru acest rezultat de excepţie GERDA  a folosit un detector de germaniu 76Ge cu masa de 35,6 kg. Pentru viitor este în plan un nou proiect de cercetare, LEGEND, care să folosească o masă de 76Ge de circa 200 kg în condiţii cu un fond redus, astfel încât sensibilitatea să crească până la 1027 ani în măsurarea duratei medii a procesului de dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini.

LEGEND urmează să fie instalat la Gran Sasso în 2021 şi să efectueze măsurători pentru o durată de cinci ani de zile. Evident, dacă LEGEND va reuşi să măsoare un proces în loc de a pune doar limite superioare asupra duratei medii, ar fi o revoluţie cu consecinţe greu de evaluat. Am putea înţelege nu doar neutrinii, ci şi evoluţia universului mult mai bine, ţinând cont că universul este practic îmbibat de neutrini, care se nasc în număr extrem de mare în procesele nucleare ce menţin stelele în viaţă.