Είναι τα νετρίνα τα αντισωματίδια τους;

Σε μια σπηλιά σχεδόν 1500 μέτρα κάτω από τη Γη, σε μια περιοχή της Νότιας Ντακότας, γίνεται ένα από τα πιο σπουδαία πειράματα της φυσικής (ονομάζεται MAJORANA) για να βρεθεί αν τα νετρίνα είναι τα αντισωματίδια τους. Εκεί κάτω βρίσκονται 40 κιλά καθαρού κρύσταλλου γερμανίου σε βαθειά κατάψυξη. Εάν η απάντηση είναι ναι, τότε θα χρειαστεί να ξαναγραφεί το Καθιερωμένο Μοντέλο των σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεων, με το οποίο κατανοούμε το φυσικό κόσμο μας.

Τα νετρίνα έχουν παρατηρηθεί μόνο σε δύο χειρόμορφες καταστάσεις, τα αριστερόχειρα νετρίνα και τα δεξιόχειρα αντινετρίνα. Το αν αυτές είναι πραγματικά οι μόνες δύο καταστάσεις χειρομορφίας νετρίνων εξαρτάται από το αν το νετρίνο είναι το δικό του αντισωματίδιο.

"Ο καλύτερος τρόπος για να μάθουμε αν το νετρίνο είναι το ίδιο το αντισωματίδιο του θα ήταν να παρατηρήσουμε ένα ορισμένο είδος ραδιενεργού διάσπασης, που ονομάζεται διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα. Δεν έχει ποτέ εντοπιστεί με βεβαιότητα, και αν παρόλα αυτά προκύψει, είναι ένα εξαιρετικά σπάνιο φαινόμενο”, λέει ο Alan Poon του Εργαστηρίου Lawrence στο Μπέρκλεϋ.

Ο Poon σήμερα προεδρεύει της συνεργασίας Majorana, η οποία αποτελείται από πάνω από 100 ερευνητές από 19 ιδρύματα στις...
Ηνωμένες Πολιτείες, τον Καναδά, τη Ρωσία και την Ιαπωνία, και των οποίων οι προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στο πείραμα που βρίσκεται τώρα υπό κατασκευή στη Νότια Ντακότα και λέγεται SURF.

Βήτα διάσπαση, απλή και διπλή

Η συνηθισμένη βήτα διάσπαση είναι ένα κοινό είδος της ραδιενέργειας: ένας πυρήνας μετατρέπεται σε έναν άλλο πυρήνα γειτονικό του στον περιοδικό πίνακα με μικρότερη μάζα, εκπέμποντας ένα βήτα σωματίδιο – ένα ηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο – συν ένα νετρίνο ή ένα αντινετρίνο. Για παράδειγμα, ο άνθρακας-14 μετατρέπεται σε άζωτο-14, όταν ένα από τα νετρόνια του μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο, εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Η βήτα διάσπαση ήταν που οδήγησε στην πρόταση ότι πρέπει να υπάρχει ένα σωματίδιο όπως το νετρίνο, δεδομένου ότι ένα ηλεκτρόνιο από μόνο του δεν θα μπορούσε να εξηγήσει όλη την ενέργεια που χάνεται στην διάσπαση.

«Η διπλή βήτα διάσπαση είναι επίσης δυνατή και έχει παρατηρηθεί σε μια δωδεκάδα διαφορετικά ισότοπα από το 1986», λέει ο Poon. "Αλλά αυτό συμβαίνει πολύ σπάνια και δεν μπορούν να το κάνουν πολλοί πυρήνες."

Στις μόνες πειστικές διπλές βήτα διασπάσεις που έχουμε δει μέχρι τώρα συμμετέχουν δύο νετρόνια που αλλάζουν σε δύο πρωτόνια, ενώ εκπέμπονται δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα. Είναι μια ασυνήθιστη κατάσταση, στην οποία η απλή διάσπαση βήτα έχει αποκλειστεί, διότι ο άμεσος γείτονας (στο περιοδικό σύστημα) του ισότοπου της διάσπασης έχει έναν πυρήνα που είναι πάρα πολύ βαρύς, αλλά ο πυρήνας δύο θέσεις μακριά στον Περιοδικό Πίνακα δεν έχει μικρότερη μάζα – ακόμα κι αν ο ατομικός αριθμός του είναι δύο υψηλότερες θέσεις. Για να φτάσει εκεί απαιτείται μια διπλή διάσπαση βήτα.

Η απλή β διάσπαση και η διπλή στο γερμάνιο.

Ένας από τους σχετικά λίγους πυρήνες που μπορεί να μετατραπεί, κάνοντας διπλή βήτα διάσπαση είναι το γερμάνιο-76 (⁷⁶Ge), ένα ισότοπο που αντιστοιχεί σε λιγότερο από το 8% του φυσικού γερμάνιου. Το γερμάνιο-76 δεν μπορεί να αλλάξει στο γειτονικό του αρσενικό-76, αλλά μπορεί να αλλάξει σε σελήνιο-76, δύο θέσεις ψηλότερα στον περιοδικό πίνακα (πάνω εικόνα).

Στην σπάνια διπλή διάσπαση βήτα όταν το γερμάνιο-76 αλλάζει σε σελήνιο-76, δύο νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνια, ενώ εκπέμπει δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα, πηγαίνοντας τον πυρήνα του δύο θέσεις υψηλότερα στον περιοδικό πίνακα.

Το γερμάνιο-76 είναι μάλλον ένας σταθερός πυρήνας, αλλά έχουν παρατηρηθεί από τη δεκαετία του 1990 διπλές βήτα διασπάσεις, ενώ πρόσφατα έχει υπολογιστεί ο χρόνος ημιζωής του σε 1.3 x 10²¹, ή περίπου 100 τρισεκατομμύρια φορές την ηλικία του σύμπαντος.

Πώς λοιπόν να εντοπίσουμε ένα τέτοιο σπάνιο γεγονός; Αν παρακολουθήσετε ένα απλό άτομο γερμανίου-76 για 1.3 x 10²¹ χρόνια οι πιθανότητες να δούμε να διασπάται είναι 50-50. Από την άλλη πλευρά, αν παρατηρήσουμε 1.3 x 10²¹ άτομα γερμανίου-76 για ένα χρόνο, οι πιθανότητες είναι 50-50 για να συλλάβουμε τουλάχιστον ένα από αυτά που διασπώνται.

Στην ουσία, αυτό θα κάνει το πείραμα MAJORANA. Έχουμε ένα μετρικό τόνο ανιχνευτών διόδων γερμανίου, εμπλουτισμένο με 86 τοις εκατό ⁷⁶Ge. Κατά τη διάρκεια ενός έτους, ένας ανιχνευτής θα έχει μια καλή ευκαιρία να συλλάβει μια διπλή βήτα διάσπαση, αν και μάλλον θα πρέπει να συνοδεύεται από ένα ζευγάρι αντινετρίνων.

Ψάχνοντας για την απουσία των νετρίνων

Η ταυτοποίηση διπλών βήτα διασπάσεων χωρίς νετρίνα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το αν απαλλαγούμε τελείως από τις κοσμικές ακτίνες του υπόβαθρου και την φυσική ραδιενέργεια στο περιβάλλον. Αυτός είναι και ο σκοπός του πειράματος MAJORANA: να δείξει ότι η επίτευξη ενός αρκετά χαμηλού υποβάθρου είναι πράγματι δυνατό να γίνει. 1500 μέτρα βράχου είναι γενικά μια αποτελεσματική ασπίδα έναντι των περισσότερων κοσμικών ακτίνων, αλλά η ραδιενέργεια από το περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων και των προσμείξεων από τα τμήματα του πειράματος, είναι πιο δύσκολο να αποφευχθεί.

Γι αυτό και το πείραμα MAJORANA θα προστατευθεί με πολλαπλά στρώματα χαλκού και μολύβδου κατά των ραδιενεργών στοιχείων στον περιβάλλοντα βράχο, ενώ ο ανιχνευτής θα πρέπει να κατασκευαστεί από υλικά πολύ καθαρά.

Εξίσου σημαντική είναι και η ικανότητα του ανιχνευτή να διακρίνει το υπόβαθρο από τις διπλές βήτα διασπάσεις στο εσωτερικό του ίδιου του ανιχνευτή. Το καθαρό γερμάνιο είναι ιδανικό για το σκοπό αυτό, τόσο ως πηγή διπλής βήτα διάσπασης, όπως και σαν ανιχνευτής τέτοιων γεγονότων.

Σε μια διπλή βήτα διάσπαση χωρίς νετρίνα, ένα μόνο σωματίδιο θα εκπέμπεται καθώς ένα νετρόνιο θα μετατρεπόταν σε ένα πρωτόνιο. Αυτό το δεξιόχειρο αντινετρίνο θα απορροφηθεί από ένα αριστερόχειρο νετρίνο που βγαίνει από ένα δεύτερο νετρόνιο, αναγκάζοντας το να μετατραπεί σε ένα πρωτόνιο. Έτσι τα δύο ηλεκτρόνια αντιπροσωπεύουν τη συνολική διαφορά της ενέργειας μεταξύ των δύο πυρήνων.

Ένα τέτοιο γεγονός θα ήταν εύκολο να εντοπιστεί, διότι η ενέργεια των δύο ηλεκτρονίων του θα ήταν ακριβώς 2.039 MeV, και καμιά ενέργεια δεν θα μοιραστεί με τυχόν αντινετρίνα. Με ένα αρκετά χαμηλό υπόβαθρο, το πείραμα MAJORANA θα είναι σε θέση να διαχωρίσει εύκολα την έντονη αιχμή ενός ζεύγους ηλεκτρονίων στα 2,039 MeV από μια μη απότομη ενέργεια που θα μοιράζεται ανάμεσα σε τέσσερα διαφορετικά σωματίδια.

Ξαναγράφοντας το Καθιερωμένο Μοντέλο

Το νετρίνο είναι απαραίτητο να έχει μάζα για να μπορεί να ταλαντώνεται ανάμεσα στις τρεις γεύσεις νετρίνο, αλλά κανείς δεν γνωρίζει την ακριβή μάζα οποιασδήποτε από τις γεύσεις ή γιατί είναι τόσο μικρή. Η διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα προσφέρει ένα μοναδικό παράθυρο στο ζήτημα αυτό. Αν το πείραμα MAJORANA μπορεί να πάει πιο πέρα ​​δείχνοντας ότι η διπλή βήτα διάσπαση χωρίς νετρίνα υπάρχει δείχνοντας μας και πόσο συχνά αυτή συμβαίνει, μπορεί τότε να είναι σε θέση να καθορίσει άμεσα και τη κλίμακα της μάζας των νετρίνων άμεσα.

Το κλειδί είναι η χειρομορφία τους (η οποία αναφέρεται στον τρόπο που η η γραμμική ορμή και το κβαντικό σπιν τους είναι ευθυγραμμισμένα). Εάν τα νετρίνα και τα αντινετρίνα είναι δύο διαφορετικά σωματίδια, τότε το καθένα μπορεί να είναι είτε δεξιόχειρα ή αριστερόχειρα, με ένα σύνολο τεσσάρων κβαντικών καταστάσεων. Όμως, εάν τα νετρίνα και αντινετρίνα είναι μόνο ένα σωματίδιο, τότε υπάρχουν μόνο δύο χειρόμορφες καταστάσεις. Στην πραγματικότητα έχουν παρατηρηθεί μόνο δύο καταστάσεις, τα αριστερόχειρα νετρίνα και τα δεξιόχειρα αντινετρίνα.

Ένα διάγραμμα της διπλής βήτα διάσπασης δίχως την εκπομπή νετρίνων δείχνει ένα δεξιόχειρα αντινετρίνο να εκπέμπεται όταν διασπάται ένα νετρόνιο (και εκπέμπεται συγχρόνως ένα ηλεκτρόνιο). Το αντινετρίνο αλλάζει την χειρομορφία του και απορροφάται από ένα δεύτερο νετρόνιο, το οποίο επίσης διασπάται (και εκπέμπει ένα δεύτερο ηλεκτρόνιο). Εμπλέκεται στην διάσπαση μόνο ένα ζεύγος αντισωματιδίου / σωματιδίου. Πόσο γρήγορα μπορεί να αναστρέψει την χειρομορφία του εξαρτάται από τη μάζα του: όσο πιο μεγάλο, τόσο πιο εύκολα αλλάζει και θα συμβεί πιο συχνά αυτό το είδος της διάσπασης.

Αλλά υπάρχει μια παγίδα, λέει ο Alan Poon. «Το συναρπαστικό γεγονός για την διπλή βήτα διάσπαση δίχως νετρίνα θα ήταν ότι θα παραβίαζε μία από τις βασικές αρχές του Καθιερωμένου Μοντέλου, στην οποία όλες οι αλληλεπιδράσεις διατηρούν τον λεπτονικό αριθμό. Τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνα είναι και τα δύο λεπτόνια, έτσι αν η αλληλεπίδραση παράγει δύο ηλεκτρόνια, θα είναι ο λεπτονικός αριθμός συν δύο. Στο συνηθισμένο είδος της διπλής βήτα διάσπασης, εκπέμπονται επίσης δύο αντινετρίνα – που είναι αντισωματίδια με αρνητικό λεπτονικό αριθμό, άρα μείον δύο. Ο λεπτονικός αριθμός εδώ διατηρείται μηδέν (2-2=0). Αλλά στη διπλή διάσπαση βήτα χωρίς νετρίνα, αυξάνεται ο λεπτονικός αριθμός από το μηδέν σε δύο.

"Το Καθιερωμένο Μοντέλο αφήνει πολλά εκκρεμή ζητήματα, και γνωρίζουμε ότι χρειάζεται αναθεώρηση," εξηγεί ο Poon, "αλλά δεν μπορεί να γράψουμε μια νέα θεωρία μέχρι να μάθουμε αν τα νετρίνα είναι τα αντισωματίδια τους, ή πώς θα δικαιολογήσουμε την απώλεια της διατήρησης του λεπτονικού αριθμού και μια σειρά από άλλα ζητήματα, συμπεριλαμβανομένης της μάζας των νετρίνων."

Στον αγώνα για να απαντήσουμε στα ερωτήματα αυτά, η συνεργασία MAJORANA ανταγωνίζεται με ένα άλλο σημαντικό πείραμα με γερμάνιο, το πείραμα GERD στο Gran Sasso στην Ιταλία. Αλλά είναι ένας αγώνας με μια διαφορά:

«Το GERD έχει μια διαφορετική αντίληψη θωράκισης, χρησιμοποιώντας υγρό αργό και το νερό, και μεταξύ μας θα βρούμε ποιό θα έχει το χαμηλότερο υπόβαθρο», αναφέρει ο Poon.

Το γερμάνιο-76 δεν είναι το μόνο στοιχείο που μπορεί να υποβληθεί σε διπλή διάσπαση βήτα. Άλλοι ανιχνευτές χρησιμοποιούν ισότοπα του τελλουρίου, ξένον, νεοδύμιο, ή άλλα στοιχεία. «Είναι σημαντικό να διαπιστωθεί ότι σε κάθε περίπτωση διπλής βήτα διάσπασης χωρίς νετρίνα αντανακλά πραγματικά την ιδιότητα του νετρίνου. Εάν η διαδικασία αυτή εμφανίζεται σε περισσότερα από ένα στοιχείο, θα είναι μία πολύ ισχυρή ένδειξη ότι το νετρίνο είναι πράγματι το αντισωμάτιο του. "

Πηγή: Physorg
_________________________________________________________________________

Στη φυσική τα μόνα γνωστά σωματίδια που είναι παράλληλα και τα αντισωματίδια τους είναι όλα τα μποζόνια (που μεταφέρουν τις δυνάμεις) πχ τα φωτόνια ή τα Z. Τα φερμιόνια Dirac αντίθετα είναι σωματίδια που διαφέρουν από τα αντισωμάτιά τους. Το φερμιόνιο Majorana από την άλλη είναι ένα φερμιόνιο που είναι και το αντι-σωματίδιο του. Πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι τα νετρίνα είναι στην πραγματικότητα φερμιόνια Ματζοράνα. Το πείραμα αυτό στοχεύει να αποδείξει ότι το νετρίνο είναι ίδιο με το αντισωματίδιο του, το αντινετρίνο. 

(από www.physics4u)