Fizycy coraz bliżej odkrycia nowej cząstki: neutrina Majorany

Gdyby udało się zaobserwować podwójny bezneutrinowy rozpad beta, byłoby to równoznaczne z odkryciem nowej cząstki elementarnej – cząstki typu Majorany. Ranga takiego ustalenia byłaby równie doniosła jak odkrycie bozonu Higgsa. Badacze są coraz bliżej takiego ustalenia, o czym informują w „Science”.

Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Ciągle nie wiadomo o nich jednak zbyt wiele, ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią. Na tyle słabo, że często określa się je mianem „cząstek-duchów”. Żeby móc obserwować neutrina, naukowcy potrzebują naprawdę spokojnego miejsca.

Bada je w podziemnym laboratorium w detektorze GERDA (GERmanium Detector Array) w Gran Sasso we Włoszech międzynarodowy zespół naukowców, w którego skład wchodzą fizycy z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego: prof. Marcin Wójcik, dr Marcin Misiaszek, dr Krzysztof Pelczar oraz dr hab. Grzegorz Zuzel. Najnowsze ustalenia na temat neutrin opublikowali w czasopiśmie „Science”. 

W informacji przesłanej PAP dr hab. Zuzel tłumaczy, że neutrina poruszając się w przestrzeni mogą zmieniać typ, np. neutrino elektronowe może zamienić się na mionowe. Jak wyjaśnia, jest to tzw. zjawisko oscylacji neutrin, które może zachodzić tylko i wyłącznie, jeżeli neutrina mają masę spoczynkową – stoi to więc w jawnej sprzeczności z Modelem Standardowym Cząstek, czyli dotychczasową wiedzą.

„Obecnie nie wiemy jednak, ile neutrina +ważą+, wiadomo tylko, iż ich masa jest bardzo mała. Nie wiemy też, które neutrino jest najcięższe, a które najlżejsze (czyli jaka jest tzw. hierarchia mas). Co więcej, w drugiej połowie lat 30. XX wieku włoski fizyk Ettore Majorana zaproponował, na podstawie teorii kwantowej, iż neutrino może być swoją własną antycząstką (tzw. cząstką Majorany). Kwestia ta do dziś nie została rozstrzygnięta” – opowiada PAP naukowiec.

I dodaje: „Jak widać neutrina sprawiają fizykom wiele problemów. Określenie ich własności jest jednak niezwykle ważne, ponieważ pomogłoby zrozumieć zjawiska zachodzące we Wszechświecie zaraz po wielkim wybuchu, kiedy materia i antymateria współistniały jeszcze ze sobą, i poznać procesy, które doprowadziły do obecnej dominacji materii.”

Procesy te mogłyby zachodzić, jeżeli możliwy byłby podwójny bezneutrinowy rozpad beta np. izotopu germanu 76. Jednak Model Standardowy nie przewiduje takiego rozpadu ze względu na brak wymaganej równowagi pomiędzy materią i antymaterią. W przypadku neutrin niezgodność przewidywań teoretycznych z eksperymentem nie jest jednak czymś niezwykłym, więc naukowcy nie wykluczają, iż rzeczywiście podwójny bezneutrinowy rozpad beta może zachodzić.

Jego obserwacja będzie równoznaczna z odkryciem nowej cząstki elementarnej – cząstki typu Majorany. „Stworzy także możliwość pomiaru masy neutrin i określenia ich hierarchii. Tego typu odkrycie byłoby co najmniej tak doniosłe, jak odkrycie bozonu Higgsa i bardziej znaczące niż odkrycie mechanizmu oscylacji neutrin. Za obydwa te osiągnięcia przyznano w ostatnich latach Nagrody Nobla. Zagadnienia podejmowane przez nasz zespół dotyczą więc zupełnie fundamentalnych problemów współczesnej fizyki” – uważa naukowiec.

Badacz dodaje, że choć zespołowi GERDA wciąż nie udało się zaobserwować poszukiwanego rozpadu, to jednak na podstawie uzyskiwanych danych naukowcy są w stanie coraz bardziej ograniczać masę neutrina. Pozwala to m.in. na stopniowe wykluczanie modeli teoretycznych przewidujących ewolucję Wszechświata związaną z określoną hierarchią mas neutrin.

Eksperyment GERDA realizowany jest w laboratorium w masywie górskim, tak, aby wykluczyć wszystkie procesy, które mogłyby zaburzać pomiar. Są one określane mianem tła. W ostatnim etapie eksperymentu GERDA – opisanym w „Science” – po raz pierwszy w tego typu pomiarach, tło udało się obniżyć, jak uważają naukowcy „do praktycznie zerowego poziomu”. Pozwala to poszukiwać cząstki Majorany z niezwykle wysoką czułością.

GERDA jest projektem europejskim, zrzeszającym naukowców z 16 instytutów badawczych i uniwersytetów z Niemiec, Włoch, Rosji, Szwajcarii, Belgii i Polski. Badania tych ostatnich finansowane są przez Narodowe Centrum Nauki oraz przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl, Autor: Szymon Zdziebłowski