Si se hubieran formado cantidades iguales de materia y antimateria en el Big Bang hace más de 13 mil millones de años, uno habría aniquilado al otro al encontrarse, y el universo de hoy estaría lleno de energía pero no importa para formar estrellas, planetas y vida. Sin embargo, la materia existe ahora. Ese hecho sugiere que algo está mal con las ecuaciones del modelo estándar que describen la simetría entre las partículas subatómicas y sus antipartículas. En un estudio publicado en Cartas de revisión física , colaboradores del DEMOSTRADOR MAJORANA, un experimento dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, han demostrado que pueden proteger a un sensible, Conjunto de detectores escalables de germanio de 44 kilogramos de radiactividad de fondo.

Este logro es fundamental para desarrollar y proponer un experimento futuro mucho mayor, con aproximadamente una tonelada de detectores, para estudiar la naturaleza de los neutrinos. Estas partículas eléctricamente neutras interactúan solo débilmente con la materia, haciendo su detección extremadamente difícil.

"El exceso de materia sobre la antimateria es uno de los misterios más convincentes de la ciencia, "dijo John Wilkerson de ORNL y la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill. Wilkerson lidera la DEMOSTRADOR MAJORANA, que involucra a 129 investigadores de 27 instituciones y 6 naciones. “Nuestro experimento busca observar un fenómeno llamado 'desintegración doble beta sin neutrinos' en los núcleos atómicos. La observación demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas y tienen profundas implicaciones para nuestra comprensión del universo. Además, estas mediciones podrían proporcionar una mejor comprensión de la masa de neutrinos ".

En un informe de 2015 del Comité Asesor de Ciencias Nucleares de EE. UU. Al Departamento de Energía y la Fundación Nacional de Ciencias, Un experimento a escala de toneladas dirigido por Estados Unidos para detectar la desintegración doble beta sin neutrinos se consideró una prioridad máxima de la comunidad de la física nuclear. Casi una docena de experimentos han buscado la desintegración doble beta sin neutrinos, y se han propuesto tantos experimentos futuros. Una de las claves del éxito depende de evitar un fondo que pueda imitar la señal de desintegración doble beta sin neutrinos.

Ese fue el logro clave del DEMOSTRADOR MAJORANA. Su implementación se completó en Dakota del Sur en septiembre de 2016, casi una milla bajo tierra en la instalación de investigación subterránea de Sanford. Colocar el experimento debajo de casi una milla de roca fue el primero de los muchos pasos que tomaron los colaboradores para reducir la interferencia del fondo. Otros pasos incluyeron un criostato hecho del cobre más puro del mundo y un complejo escudo de seis capas para eliminar la interferencia de los rayos cósmicos. radón, polvo, huellas dactilares e isótopos radiactivos naturales.

"Si va a buscar desintegración beta doble sin neutrinos, es fundamental saber que el fondo radiactivo no abrumará la señal que busca, "dijo David Radford de ORNL, un científico líder en el experimento.

Hay muchas formas en que un núcleo atómico se desmorona. Un modo de desintegración común ocurre cuando un neutrón dentro del núcleo emite un electrón (llamado "beta") y un antineutrino para convertirse en un protón. En desintegración doble beta de dos neutrinos, dos neutrones se desintegran simultáneamente para producir dos protones, dos electrones y dos antineutrinos. Se ha observado este proceso. La Colaboración MAJORANA busca evidencia de un proceso de descomposición similar que nunca se ha observado, en el que no se emiten neutrinos.

Conservación del número de leptones:partículas subatómicas como electrones, muones o neutrinos que no participan en interacciones fuertes, fue escrito en el Modelo Estándar de Física. "No hay una buena razón para esto, solo la observación de que parece que ese es el caso, ", dijo Radford." Pero si el número de leptones no se conserva, cuando se agrega a los procesos que creemos que sucedieron durante el universo temprano, eso podría ayudar a explicar por qué hay más materia que antimateria ".

Muchos teóricos creen que el número de leptones no se conserva, que el neutrino y el antineutrino, que se suponía que tenían números de leptones opuestos, son en realidad la misma partícula que gira de diferentes maneras. El físico italiano Ettore Majorana introdujo ese concepto en 1937, prediciendo la existencia de partículas que son sus propias antipartículas.

MAJORANA DEMONSTRATOR utiliza cristales de germanio como fuente de desintegración doble beta y como medio para detectarla. Germanio-76 (Ge-76) decae para convertirse en selenio-76, que tiene una masa menor. Cuando el germanio decae, la masa se convierte en energía que es transportada por los electrones y los antineutrinos. "Si toda esa energía va a los electrones, entonces no queda nada para los neutrinos, "Dijo Radford." Ese es un identificador claro de que encontramos el evento que estamos buscando ".

Los científicos distinguen los modos de desintegración de dos neutrinos frente a los sin neutrinos por sus firmas de energía. "Es un error común pensar que nuestros experimentos detectan neutrinos, "dijo Jason Detwiler de la Universidad de Washington, quien es co-portavoz de la Colaboración MAJORANA. "Es casi cómico decirlo, pero buscamos la ausencia de neutrinos. En la desintegración sin neutrinos la energía liberada es siempre un valor particular. En la versión de dos neutrinos, la energía liberada varía, pero siempre es menor que la de la desintegración doble beta sin neutrinos ".

El DEMOSTRADOR DE MAJORANA ha demostrado que la vida media de desintegración doble beta sin neutrinos del Ge-76 es de al menos 10 ²⁵ años:15 órdenes de magnitud más que la edad del universo. Por lo tanto, es imposible esperar a que se descomponga un solo núcleo de germanio. "Superamos la imposibilidad de observar un núcleo durante mucho tiempo al mirar en el orden de 10 ²⁶ núcleos durante un período de tiempo más corto, ", explicó el co-portavoz Vincente Guiseppe de la Universidad de Carolina del Sur.

Las posibilidades de detectar una desintegración doble beta sin neutrinos en Ge-76 son raras:no más de 1 por cada 100, 000 desintegraciones beta dobles de dos neutrinos, Dijo Guiseppe. El uso de detectores que contienen grandes cantidades de átomos de germanio aumenta la probabilidad de detectar desintegraciones raras. Entre junio de 2015 y marzo de 2017, los científicos no observaron eventos con el perfil de energía de la desintegración sin neutrinos, el proceso que aún no se ha observado (esto era de esperar dada la pequeña cantidad de núcleos de germanio en el detector). Sin embargo, se animaron a ver muchos eventos con el perfil energético de desintegraciones de dos neutrinos, verificar que el detector pueda detectar el proceso de descomposición que se ha observado.

Los resultados de MAJORANA Collaboration coinciden con los nuevos resultados de un experimento competitivo en Italia llamado GERDA (para GERmanium Detector Array), que adopta un enfoque complementario para estudiar el mismo fenómeno. "El DEMONSTRADOR DE MAJORANA y GERDA juntos tienen el fondo más bajo de cualquier experimento de desintegración beta doble sin neutrinos, "dijo Radford.

El DEMONSTRATOR fue diseñado para sentar las bases de un experimento a escala de toneladas al demostrar que los fondos pueden ser lo suficientemente bajos como para justificar la construcción de un detector más grande. Así como los telescopios más grandes recogen más luz y permiten ver objetos más débiles, el aumento de la masa de germanio permite una mayor probabilidad de observar la rara desintegración. Con 30 veces más germanio que el experimento actual, el experimento planeado de una tonelada podría detectar la desintegración doble beta sin neutrinos de solo un núcleo de germanio por año.

Está previsto que el DEMOSTRADOR MAJORANA continúe tomando datos durante dos o tres años. Mientras tanto, se está trabajando en una fusión con GERDA para desarrollar un posible detector de una tonelada llamado LEGEND, planeado para ser construido en etapas en un sitio aún por determinar.

LEYENDA 200, el demostrador LEGEND y un paso hacia un posible experimento futuro a escala de toneladas, será una combinación de GERDA, MAJORANA y detectores nuevos. Los científicos esperan comenzar en la primera etapa de LEGEND 200 para 2021. Un experimento a escala de toneladas, LEYENDA 1000, sería la siguiente etapa, si se aprueba. "Esta fusión apalanca inversiones públicas en MAJORANA DEMONSTRATOR y GERDA combinando las mejores tecnologías de cada uno, ", dijo el co-portavoz de LEGEND Collaboration (y portavoz de MAJORANA desde hace mucho tiempo hasta el año pasado) Steve Elliott del Laboratorio Nacional de Los Alamos.

El título del artículo de Physical Review Letters es "Búsqueda de desintegración beta doble sin neutrinos en 76Ge con el DEMONSTRADOR DE MAJORANA".