Είναι τα νετρίνα τα δικά τους αντισωματίδια;

Μια μακροχρόνια διαμάχη μεταξύ των φυσικών των σωματιδίων φαίνεται να διευθετείται - με τον λιγότερο συναρπαστικό τρόπο - χάρη στα νέα δεδομένα από έναν υπερευαίσθητο ανιχνευτή σωματιδίων βαθιά υπόγεια. Οι φυσικοί που χειρίζονται τη Συστοιχία Ανιχνευτών Γερμανίου (GERDA) 1400 μέτρα κάτω στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας λένε ότι δεν βλέπουν σημάδια ενός υποτιθέμενου τύπου πυρηνικής διάσπασης που ονομάζεται διάσπαση διπλής βήτα χωρίς νετρίνο, η οποία, αν παρατηρηθεί με βεβαιότητα, θα άξιζε σχεδόν σίγουρα ένα Νόμπελ. Βραβείο. Τα νέα αποτελέσματα κολλούν μια καρφίτσα σε έναν ισχυρισμό που έγινε από μια αντίπαλη ομάδα το 2001.

Η αναζήτηση για διάσπαση διπλής βήτα χωρίς νετρίνη είναι κάτι που μπορεί να σας κάνει να αναρωτιέστε τι ασχολούνται με τους φυσικούς των σωματιδίων. Η συνηθισμένη βήτα διάσπαση συμβαίνει όταν ένα νετρόνιο σε έναν πυρήνα μετατρέπεται σε πρωτόνιο ενώ φτύνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο - ένα σωματίδιο χωρίς φορτίο, σχεδόν χωρίς μάζα που αλληλεπιδρά εξαιρετικά ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη. Ορισμένα είδη πυρήνων είναι επίσης γνωστό ότι υφίστανται μια πολύ πιο σπάνια διαδικασία γνωστή ως διάσπαση διπλής βήτα, στην οποία δύο νετρόνια μετατρέπονται σε δύο πρωτόνια ταυτόχρονα, εκπέμποντας ταυτόχρονα δύο ηλεκτρόνια και δύο αντινετρίνα. Ωστόσο, οι θεωρητικοί έχουν προβλέψει επίσης μια ακόμη πιο σπάνια μορφή διπλής-βήτα διάσπασης στην οποία δύο νετρόνια διασπώνται σε δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια, αλλά όχι σε αντινετρίνα.

Γιατί στη Γη αυτό θα ήταν ενδιαφέρον; Λοιπόν, όλα μπαίνουν στην πολιτική ταυτότητας των νετρίνων. Είναι δυνατό να πυροδοτηθεί μια πυρηνική αντίδραση όπως η διάσπαση βήτα στην οποία αντί να εκπέμπει ένα αντινετρίνο, ένα νετρόνιο απορροφά ένα νετρίνο και στη συνέχεια μετατρέπεται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο. Έτσι, η διάσπαση διπλής βήτα χωρίς νετρίνα θα ήταν ακριβώς σαν να συνδυάζετε μια κανονική διάσπαση βήτα με αυτήν την πυροδοτούμενη αντίδραση - εάν το αντινετρίνο που εκπέμπεται στην κανονική διάσπαση βήτα απορροφάται ως νετρίνο στην πρόσθετη πυρηνική αλληλεπίδραση. Δηλαδή, η διάσπαση διπλής βήτα χωρίς νετρίνα μπορεί να λάβει χώρα μόνο εάν το νετρίνο είναι το δικό του αντισωματίδιο. Και αν αυτό ήταν αλήθεια, τότε το νετρίνο θα ήταν το μόνο σωματίδιο ύλης για το οποίο θα ίσχυε αυτή η περίεργη ανάμειξη ύλης και αντιύλης. (Το φωτόνιο, που συνθέτει το φως, όχι την ύλη, είναι ήδη το δικό του αντισωματίδιο.)

Γι' αυτό οι φυσικοί κάθισαν και έδωσαν προσοχή το 2001 όταν ο Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus και οι συνεργάτες του στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας ισχυρίστηκαν ότι παρατήρησαν τέτοια διάσπαση. Στο πείραμά τους «Χαϊδελβέργη-Μόσχα» στο Gran Sasso, μελέτησαν 11,5 κιλά γερμανίου εμπλουτισμένου με τον πυρήνα γερμάνιο-76, έναν από τους λίγους πυρήνες με τον σωστό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων που πιθανώς υποβλήθηκαν στη διάσπαση. Παρακολουθώντας το υλικό για 13 χρόνια, ο Klapdor-Kleingrothaus και οι συνεργάτες του ισχυρίστηκαν ότι είχαν δει μια σαφή περίσσεια γεγονότων που προέρχονται από τη φθορά. Ωστόσο, πολλοί άλλοι φυσικοί αμφισβήτησαν τον ισχυρισμό τους, υποστηρίζοντας ότι η ομάδα της Χαϊδελβέργης δεν είχε κάνει αρκετά για να αποκλείσει τη συνηθισμένη ραδιενεργή διάσπαση ως την αιτία του υποτιθέμενου σήματος τους.

Οι ερευνητές της GERDA είχαν στόχο να δοκιμάσουν τον ισχυρισμό. Αποτελούμενη από φυσικούς από 19 ερευνητικά ιδρύματα και πανεπιστήμια σε όλη την Ευρώπη, η ομάδα ανέπτυξε έναν ανιχνευτή αποτελούμενο από 18 κιλά γερμανίου και έτρεξε για πολύ λιγότερο χρόνο, από τον Νοέμβριο του 2011 έως τον Μάιο του 2013. Αλλά η ανώτερη κατασκευή του ανιχνευτή επέτρεψε στους ερευνητές να φιλτράρουν καλύτερα την ακτινοβολία υποβάθρου— η οποία είχε ήδη μειωθεί με την κατασκευή του ανιχνευτή υπόγεια—και η συσκευή πέτυχε γρήγορα μεγαλύτερη ευαισθησία στη σπάνια αποσύνθεση.

Η GERDA δεν βλέπει στοιχεία για διάσπαση διπλής βήτα χωρίς νετρίνη. Σε ένα σεμινάριο στις επιφανειακές εγκαταστάσεις του Gran Sasso σήμερα, ο Stefan Schönert, φυσικός στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου στη Γερμανία και εκπρόσωπος της συνεργασίας, εξήγησε ότι οι πειραματιστές μετρούν τις ενέργειες των δίδυμων ηλεκτρονίων και βλέπουν τρία γεγονότα στο ενεργειακό εύρος Ο Klapdor-Kleingrothaus και οι συνεργάτες του ισχυρίστηκαν υπέρβαση. Αυτό είναι σχεδόν ακριβώς αυτό που θα περίμενε κανείς μόνο από τα γεγονότα του παρασκηνίου, ανέφερε ο Schönert. «Ο ισχυρισμός [της Χαϊδελβέργης] διαψεύδεται με μεγάλη πιθανότητα», λέει.

Τα τελευταία αποτελέσματα είναι "πολύ συναρπαστικά", λέει ο Στίβεν Έλιοτ, ένας φυσικός νετρίνων στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό, αλλά μπορεί να μην παρέχουν τον τελευταίο λόγο για το θέμα. «Τα δεδομένα δείχνουν ότι ο προηγούμενος ισχυρισμός είναι πολύ απίθανο να είναι σωστός», λέει. "Αλλά μπορεί να υπάρχει ακόμα κάποιο περιθώριο κουνήματος λόγω των χαμηλών στατιστικών στοιχείων."

Φυσικά, το αποτέλεσμα δεν αποδεικνύει ότι μια τέτοια αποσύνθεση είναι αδύνατη, απλώς συμβαίνει πιο σπάνια από ό,τι μπορεί να μετρηθεί μέχρι τώρα. Ενώ η ομάδα με επικεφαλής τον Klapdor-Kleingrothaus ισχυρίστηκε ότι παρατήρησε τη σπάνια αποσύνθεση με χρόνο ημιζωής 1,2x10 έτη, τα νέα αποτελέσματα, εξήγησε ο Schönert, υπονοούσαν ότι ο χρόνος ημιζωής δεν μπορεί να είναι μικρότερος από 2,1x10 έτη. Αυτό είναι απλώς ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ηλικία του σύμπαντος. Έτσι η ομάδα ΓΕΡΔΑ θα συνεχίσει την αναζήτησή της. Αργότερα αυτό το έτος, οι ερευνητές θα αρχίσουν να λαμβάνουν δεδομένα με νέες μονάδες ανιχνευτών που διπλασιάζουν περίπου την ποσότητα γερμανίου-76 και θα μειώσουν περαιτέρω τα επίπεδα φόντου κατά 10. Τελικά, μπορεί να χρειαστεί ένας ανιχνευτής βάρους ενός μετρικού τόνου για να ανιχνεύσει το σπάνιο αποσύνθεση—αν υπάρχει.