I strävan att bevisa att materia kan produceras utan antimateria, GERDA-experimentet vid Gran Sasso Underground Laboratory i Italien letar efter tecken på neutrinofritt dubbel beta-förfall. Experimentet har den största känsligheten i världen för att upptäcka sönderfallet i fråga. För att ytterligare förbättra chanserna att lyckas, ett uppföljningsprojekt, LEGEND, använder ett ännu mer raffinerat förfallsexperiment.

Medan standardmodellen för partikelfysik har förblivit mestadels oförändrad sedan dess första uppfattning, experimentella observationer för neutriner har tvingat neutrinodelen av teorin att omprövas i sin helhet.

Neutrinoscillation var den första observationen som inte överensstämde med förutsägelserna, och bevisar att neutriner har en massa som inte är noll, en egenskap som strider mot Standardmodellen. 2015, denna upptäckt belönades med Nobelpriset.

Dessutom, det finns den långvariga gissningen att neutriner är så kallade Majorana-partiklar:Till skillnad från alla andra beståndsdelar i materia, neutriner kan vara deras egna antipartiklar. Detta skulle också förklara varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum.

GERDA-experimentet är utformat för att granska Majorana-hypotesen genom att söka efter det neutrinolösa dubbelbeta-sönderfallet av germaniumisotopen ⁷⁶ Ge:Två neutroner inuti en ⁷⁶ Ge kärna omvandlas samtidigt till två protoner med emission av två elektroner. Detta förfall är förbjudet i standardmodellen eftersom de två antineutrinerna – den balanserande antimateria – saknas.

Tekniska universitetet i München (TUM) har varit en nyckelpartner i GERDA-projektet (GERmanium Detector Array) i många år. Prof. Stefan Schönert, som leder forskargruppen TUM, är talare för det nya LEGEND-projektet.

GERDA-experimentet uppnår extrema nivåer av känslighet

GERDA är det första experimentet som nådde exceptionellt låga nivåer av bakgrundsljud och har nu överträffat halveringstidens känslighet för sönderfall på 10 ²⁶ år. Med andra ord, GERDA bevisar att processen har en halveringstid på minst 10 ²⁶ år, eller 10, 000, 000, 000, 000, 000 gånger universums ålder.

Fysiker vet att neutriner är minst 100, 000 gånger lättare än elektroner, de näst tyngsta partiklarna. Deras exakta massa, dock, är fortfarande okänd, och är ett annat viktigt forskningsämne.

I standardtolkningen, halveringstiden för det neutrinolösa dubbla beta-sönderfallet är relaterat till en speciell variant av neutrinomassan som kallas Majoranamassan. Baserat på den nya GERDA-gränsen och de från andra experiment, denna massa måste vara minst 1 miljon gånger mindre än en elektrons, eller i fysikens termer, mindre än 0,07 till 0,16 eV/c ² .

I partikelfysik anges massor inte i kilogram, utan snarare i enlighet med Einsteins ekvation E=mc ² :elektronvolt [eV] dividerat med ljusets hastighet i kvadrat. Elektronvolt är ett mått på energi. Denna konvention används för att kringgå outgrundligt små enheter av massa:1 eV/c ² motsvarar 1,8 × 10 ^-36 kilogram.

Överensstämmer med andra experiment

Dessutom, andra experiment begränsar neutrinomassan:Planckuppdraget ger en gräns för en annan variant av neutrinomassan – summan av massorna av alla kända neutrinotyper är mindre än 0,12 till 0,66 eV/c ² .

Tritiumsönderfallsexperimentet KATRIN vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) är inrättat för att mäta neutrinomassan med en känslighet på cirka 0,2 eV/c ² under kommande år. Dessa massor är inte direkt jämförbara, men de ger en korskontroll av paradigmet att neutriner är Majorana-partiklar. Än så länge, ingen avvikelse har observerats.

Från GERDA till LEGEND

Under den rapporterade datainsamlingsperioden, GERDA-drivna detektorer med en total massa på 35,6 kg ⁷⁶ Ge. Nu, ett nybildat internationellt samarbete, LEGEND, kommer att öka denna massa till 200 kg ⁷⁶ Ge till 2021 och minska bakgrundsljudet ytterligare. Målet är att uppnå en känslighet på 10 ²⁷ år inom de närmaste fem åren.