Poszukiwanie bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta

Istnienie podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta przewidywane jest przez teorię Majorany. Nie wiemy, czy teoria ta jest słuszna, jednak jeśli jest, to wykrycie owego zjawiska byłoby pierwszym bezpośrednim pomiarem masy neutrin. Poszukiwanie bezneutrinowego rozpadu jest celem wielu obecnych i planowanych eksperymentów, których zadaniem jest obserwowanie substancji promieniotwórczej rozpadającej się w podwójnym rozpadzie beta i poszukiwanie takich przypadków, w których z rozpadającego się jądra wyemitowane zostały jedynie dwa elektrony.


Jeśli neutrino tożsame jest z anty-neutrinem, nazywane jest cząstką Majorany (od nazwiska fizyka, który jako pierwszy zaproponował taką możliwość). Niestety do dziś nie wiemy, czy neutrino jest właśnie takim obiektem, czy może jednak neutrino i anty-neutrino to dwie różne cząstki. Jeśli neutrino rzeczywiście jest obiektem Majorany, to powinniśmy być w stanie zaobserwować tzw. podwójny bezneutrinowy rozpad beta - rozpad, w którym jeden neutron rozpada się na proton, elektron i anty-neutrino, które będąc tożsame z neutrinem może być zaabsorbowane przez inny znajdujący się w rozpadającym się jądrze atomowym neutron, powodując z kolei jego rozpad na elektron i proton. W wyniku podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta dwa neutrony zamieniają się na dwa protony, a jądro opuszczają dwa elektrony. Wykrycie takiego rozpadu oraz pomiar częstości, z jaką zachodzi, byłyby nie tylko potwierdzeniem słuszności hipotezy Majorany, ale również (a może przede wszystkim) bezpośrednim pomiarem masy neutrina (nie zaś jak w przypadku eksperymentów oscylacyjnych jedynie pomiarem różnicy mas). Okazuje się bowiem, że im większa jest ta masa, tym częściej zachodziłby taki rozpad.

Bezneutrinowy podwójny rozpad beta

Eksperyment NEMO-III jest spadkobiercą dwu poprzednich eksperymentów (tak, tak, o nazwach NEMO i NEMO-II), które działały w latach 90-tych. Eksperyment ten oparty jest na wyjątkowo kompleksowym detektorze szukającym podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta. Sercem detektora jest kilka różnych substancji promieniotwórczych - głównie molibden i selen, otoczonych tzw. płaszczyzną detektorów śladowych. Za płaszczyzną znajdują się moduły tzw. kalorymetru, które mierzą energię cząstek.

Detektor NEMO

Rozpadające się jądro emituje cząstki naładowane. Przechodzą one przez detektory śladowe, dzięki którym można zrekonstruować ich tory. Detektory śladowe pracują w polu magnetycznym, tzn. tory przechodzących naładowanych cząstek są odchylane, tak że staje się możliwe zmierzenie owego ładunku. Po przejściu przez detektor śladowy cząstka wpada do detektora zwanego kalorymetrem. W detektorze tym wzbudza scyntylacje, która proporcjonalna jest do energii przez nią niesionej.

Przekrój przez detektor NEMO

Sygnaturą podwójnego rozpadu beta w detektorze jest obserwacja emisji z jednego punktu dwu cząstek o ładunku ujemnym, które utożsamiane są z elektronami. Pomiar energii zdeponowanej przez owe elektrony świadczy zaś o tym, czy rozpad, który nastąpił, był zwykłym podwójnym rozpadem (gdzie oprócz elektronów emitowane są dwa anty-neutrina), czy też rozpadem bezneutrinowym. Póki co detektor NEMO nie wykrył podwójnych bezneutrinowych rozpadów beta. Poszukiwania trwają.

Dwa tory elektronów w detektorze NEMO

Badanie prowadzone przez grupę NEMO i przez inne grupy poszukujące i przygotowujące się do poszukiwania podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta stają się niezwykle istotne w świetle wyników eksperymentu Heidelberg-Moskwa. Eksperyment ten poszukiwał podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta posługując się próbką 11 kg germanu. Po 13 latach zbierania i analizowania danych fizycy pracujący w tym eksperymencie ogłosili odkrycie owego zjawiska. Niestety ich wynik jest na granicy statystycznej znaczoności i istnieje prawdopodobieństwo, że jest on jedynie pewną przypadkową fluktuacją tła. Dlatego wynik ten nie jest rozstrzygający i kolejne eksperymenty o czułości większej niż osiągnięta w detektorze Heidelberg-Moskwa są konieczne.

Wynik eksperymentu Heidelberg-Moskwa