Om lika mycket materia och antimateria hade bildats i Big Bang för mer än 13 miljarder år sedan, den ena skulle ha förintat den andra vid mötet, och dagens universum skulle vara fullt av energi men oavsett att bilda stjärnor, planeter och liv. Men materia finns nu. Det faktum tyder på att något är fel med standardmodellekvationer som beskriver symmetri mellan subatomära partiklar och deras antipartiklar. I en studie publicerad i Fysiska granskningsbrev , medarbetare i MAJORANA DEMONSTRATOR, ett experiment som leds av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, har visat att de kan skydda en känslig, skalbar 44-kilogram germaniumdetektormatris från bakgrundsradioaktivitet.

Denna prestation är avgörande för att utveckla och föreslå ett mycket större framtida experiment - med ungefär massor av detektorer - för att studera neutrinos natur. Dessa elektriskt neutrala partiklar interagerar endast svagt med materia, vilket gör deras upptäckt oerhört svårt.

"Överskottet av materia över antimateria är ett av vetenskapens mest övertygande mysterier, "sade John Wilkerson från ORNL och University of North Carolina, Chapel Hill. Wilkerson leder MAJORANA DEMONSTRATOR, som involverar 129 forskare från 27 institutioner och 6 nationer. "Vårt experiment försöker observera ett fenomen som kallas" neutrinolöst dubbel-beta-sönderfall "i atomkärnor. Observationen skulle visa att neutrinoer är deras egna antipartiklar och har djupa konsekvenser för vår förståelse av universum. Dessutom, dessa mätningar skulle kunna ge en bättre förståelse av neutrino massan. "

I en rapport från 2015 från U.S.Nuclear Science Advisory Committee till Department of Energy och National Science Foundation, ett amerikanskt tonskaligt experiment för att upptäcka neutrinolöst dubbel-beta-förfall ansågs ha högsta prioritet i kärnfysikgemenskapen. Nästan ett dussin experiment har sökt neutrinolöst dubbelbetaförfall, och lika många framtida experiment har föreslagits. En av deras nycklar till framgång beror på att undvika bakgrund som kan efterlikna signalen om neutrinolöst dubbel-beta-förfall.

Det var MAJORANA DEMONSTRATORns viktigaste prestation. Implementeringen slutfördes i South Dakota i september 2016, nästan en mil under jorden vid Sanford Underground Research Facility. Att placera experimentet under nästan en mil med sten var det första av många steg som samarbetspartners tog för att minska störningar från bakgrunden. Andra steg inkluderade en kryostat gjord av världens renaste koppar och en komplex sexskiktssköld för att eliminera störningar från kosmiska strålar, radon, damm, fingeravtryck och naturligt förekommande radioaktiva isotoper.

"Om du ska söka efter neutrinolöst dubbelbetaförfall, Det är viktigt att veta att radioaktiv bakgrund inte kommer att överväldiga den signal du söker, "sa David Radford från ORNL, en ledande forskare i experimentet.

Det finns många sätt för en atomkärna att gå sönder. Ett vanligt sönderfallsläge händer när en neutron inuti kärnan avger en elektron (kallad "beta") och en antineutrino för att bli en proton. Vid två-neutrino dubbel-beta-förfall, två neutroner sönderfaller samtidigt för att producera två protoner, två elektroner och två antineutrinos. Denna process har observerats. MAJORANA -samarbetet söker bevis för en liknande förfallsprocess som aldrig har observerats, där inga neutrinoer avges.

Bevarande av antalet leptoner - subatomära partiklar som elektroner, muoner eller neutriner som inte deltar i starka interaktioner - skrevs in i fysikens standardmodell. "Det finns ingen riktigt bra anledning till detta, bara observationen att det verkar vara så, "sa Radford." Men om leptonnumret inte bevaras, när de läggs till processer som vi tror hände under det mycket tidiga universum, det kan hjälpa till att förklara varför det finns mer materia än antimateria. "

Många teoretiker tror att leptonnumret inte bevaras, att neutrino och antineutrino - som antogs ha motsatta leptontal - verkligen är samma partikel som snurrar på olika sätt. Den italienska fysikern Ettore Majorana introducerade detta koncept 1937, förutsäga förekomsten av partiklar som är deras egna antipartiklar.

MAJORANA DEMONSTRATOR använder germaniumkristaller som både källa till dubbel-beta-sönderfall och medel för att upptäcka det. Germanium-76 (Ge-76) förfaller för att bli selen-76, som har en mindre massa. När germanium förfaller, massan omvandlas till energi som förs bort av elektronerna och antineutrinoerna. "Om all den energin går till elektronerna, då finns ingen kvar för neutrinoer, "Sa Radford." Det är en tydlig identifierare för att vi hittade den händelse vi letar efter. "

Forskarna skiljer två-neutrino kontra neutrinolösa sönderfallssätt genom sina energisignaturer. "Det är en vanlig missuppfattning att våra experiment upptäcker neutrinoer, "säger Jason Detwiler från University of Washington, som är en talesperson för MAJORANA-samarbetet. "Det är nästan komiskt att säga det, men vi söker efter frånvaron av neutrinoer. I det neutrinlösa förfallet, den frigjorda energin är alltid ett särskilt värde. I versionen med två neutrinoer, den frigjorda energin varierar men är alltid mindre än för neutrinolöst dubbel-beta-sönderfall. "

MAJORANA DEMONSTRATOR har visat att den neutrinolösa dubbel-beta-förfallna halveringstiden för Ge-76 är minst 10 ²⁵ år - 15 storleksordningar längre än universums ålder. Så det är omöjligt att vänta på att en enda germaniumkärna ska förfalla. "Vi kommer runt omöjligheten att titta på en kärna länge genom att istället titta på i storleksordningen 10 ²⁶ kärnor under en kortare tid, "förklarade med-talespersonen Vincente Guiseppe från University of South Carolina.

Chansen att upptäcka ett neutrinolöst dubbelbetaförfall i Ge-76 är sällsynt-högst 1 av varje 100, 000 två-neutrino dubbel-beta-sönderfall, Sa Guiseppe. Att använda detektorer som innehåller stora mängder germaniumatomer ökar sannolikheten för att upptäcka de sällsynta sönderfallet. Mellan juni 2015 och mars 2017, forskarna observerade inga händelser med energiprofilen för neutrinolöst sönderfall, processen som ännu inte har observerats (detta förväntades med tanke på det lilla antalet germaniumkärnor i detektorn). Dock, de uppmuntrades att se många evenemang med energiprofilen för två-neutrino-förfall, verifiering av detektorn kan upptäcka förfallsprocessen som har observerats.

MAJORANA Collaborations resultat sammanfaller med nya resultat från ett konkurrerande experiment i Italien som heter GERDA (för GERmanium Detector Array), som tar ett kompletterande tillvägagångssätt för att studera samma fenomen. "MAJORANA DEMONSTRATOR och GERDA har tillsammans den lägsta bakgrunden för alla neutrinolösa dubbel-beta-sönderfallsexperiment, sa Radford.

DEMONSTRATOR var utformad för att lägga grunden för ett tonskaligt experiment genom att visa att bakgrunder kan vara tillräckligt låga för att motivera att bygga en större detektor. Precis som större teleskop samlar in mer ljus och möjliggör visning av svagare föremål, att öka massan av germanium möjliggör en större sannolikhet att observera det sällsynta förfallet. Med 30 gånger mer germanium än det nuvarande experimentet, det planerade ett-tonsexperimentet skulle kunna upptäcka den neutrinlösa dubbel-beta-sönderfallet av bara en germaniumkärna per år.

MAJORANA DEMONSTRATOR är planerad att fortsätta ta data i två eller tre år. Under tiden, en fusion med GERDA pågår för att utveckla en möjlig ett-ton detektor som heter LEGEND, planeras byggas i etapper på en ännu inte bestämd plats.

LEGEND 200, LEGEND-demonstratorn och steg mot ett eventuellt framtida tonskaligt experiment, kommer att vara en kombination av GERDA, MAJORANA och nya detektorer. Forskare hoppas kunna börja på den första etappen av LEGEND 200 år 2021. Ett tonskaligt experiment, LEGEND 1000, skulle bli nästa steg, om den är godkänd. "Denna sammanslagning utnyttjar offentliga investeringar i MAJORANA DEMONSTRATOR och GERDA genom att kombinera de bästa teknikerna för varje, "sa medarbetare för LEGEND Collaboration (och sedan länge MAJORANA-talesman fram till förra året) Steve Elliott från Los Alamos National Laboratory.

Titeln på Physical Review Letters -papperet är "Sök efter Neutrinoless Double Beta Decay in 76Ge with MAJORANA DEMONSTRATOR."