Als er meer dan 13 miljard jaar geleden gelijke hoeveelheden materie en antimaterie waren gevormd in de oerknal, de ene zou de andere hebben vernietigd bij een ontmoeting, en het universum van vandaag zou vol energie zijn, maar het maakt niet uit om sterren te vormen, planeten en leven. Toch bestaat er nu materie. Dat feit suggereert dat er iets mis is met standaardmodelvergelijkingen die de symmetrie tussen subatomaire deeltjes en hun antideeltjes beschrijven. In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , medewerkers van de MAJORANA DEMONSTRATOR, een experiment geleid door het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, hebben aangetoond dat ze een gevoelige, schaalbare 44 kilogram germaniumdetectorarray van achtergrondradioactiviteit.

Deze prestatie is van cruciaal belang voor het ontwikkelen en voorstellen van een veel groter toekomstig experiment - met ongeveer een ton detectoren - om de aard van neutrino's te bestuderen. Deze elektrisch neutrale deeltjes interageren slechts zwak met materie, waardoor hun opsporing buitengewoon moeilijk wordt.

"De overmaat van materie ten opzichte van antimaterie is een van de meest dwingende mysteries in de wetenschap, " zei John Wilkerson van ORNL en de Universiteit van North Carolina, Kapel heuvel. Wilkerson leidt de MAJORANA DEMONSTRATOR, waarbij 129 onderzoekers uit 27 instellingen en 6 landen betrokken zijn. "Ons experiment probeert een fenomeen waar te nemen dat 'neutrinoloos dubbel-bèta-verval' wordt genoemd in atoomkernen. De waarneming zou aantonen dat neutrino's hun eigen antideeltjes zijn en diepgaande implicaties hebben voor ons begrip van het universum. Bovendien, deze metingen zouden een beter begrip van de neutrinomassa kunnen opleveren."

In een rapport uit 2015 van het U.S. Nuclear Science Advisory Committee aan het Department of Energy en de National Science Foundation, een door de VS geleid experiment op tonschaal om neutrinoloos dubbel-bèta-verval te detecteren, werd beschouwd als een topprioriteit van de kernfysische gemeenschap. Bijna een dozijn experimenten hebben gezocht naar neutrinoloos dubbel-bèta-verval, en net zoveel toekomstige experimenten zijn voorgesteld. Een van hun sleutels tot succes hangt af van het vermijden van achtergrond die het signaal van neutrinoloos dubbel-bèta-verval zou kunnen nabootsen.

Dat was de belangrijkste prestatie van de MAJORANA DEMONSTRATOR. De implementatie ervan werd in september 2016 in South Dakota voltooid, bijna anderhalve kilometer onder de grond bij de Sanford Underground Research Facility. Het experiment onder bijna anderhalve kilometer steen plaatsen was de eerste van vele stappen die medewerkers namen om interferentie van de achtergrond te verminderen. Andere stappen waren een cryostaat gemaakt van 's werelds zuiverste koper en een complex zeslaags schild om interferentie van kosmische straling te elimineren, radon, stof, vingerafdrukken en natuurlijk voorkomende radioactieve isotopen.

"Als je gaat zoeken naar neutrinoloos dubbel-bèta-verval, het is van cruciaal belang om te weten dat radioactieve achtergrond het signaal dat u zoekt niet zal overweldigen, " zei David Radford van ORNL, een leidende wetenschapper in het experiment.

Er zijn veel manieren waarop een atoomkern uit elkaar kan vallen. Een veel voorkomende vervalmodus vindt plaats wanneer een neutron in de kern een elektron (een "bèta" genoemd) en een antineutrino uitzendt om een ​​proton te worden. Bij dubbel-beta-verval met twee neutrino's, twee neutronen vervallen gelijktijdig om twee protonen te produceren, twee elektronen en twee antineutrino's. Dit proces is waargenomen. De MAJORANA-samenwerking zoekt bewijs voor een soortgelijk vervalproces dat nog nooit is waargenomen, waarin geen neutrino's worden uitgestoten.

Behoud van het aantal leptonen - subatomaire deeltjes zoals elektronen, muonen of neutrino's die niet deelnemen aan sterke interacties - werd geschreven in het standaardmodel van de fysica. "Hier is niet echt een goede reden voor, alleen de constatering dat het lijkt alsof dat het geval is, " zei Radford. "Maar als het leptongetal niet behouden blijft, wanneer toegevoegd aan processen waarvan we denken dat ze plaatsvonden tijdens het zeer vroege heelal, dat zou kunnen helpen verklaren waarom er meer materie is dan antimaterie."

Veel theoretici geloven dat het leptongetal niet behouden is, dat het neutrino en het antineutrino - waarvan werd aangenomen dat ze tegengestelde leptongetallen hadden - in feite hetzelfde deeltje zijn dat op verschillende manieren ronddraait. De Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana introduceerde dat concept in 1937, het voorspellen van het bestaan ​​van deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn.

De MAJORANA DEMONSTRATOR gebruikt germaniumkristallen als bron van dubbel-bèta-verval en als middel om het te detecteren. Germanium-76 (Ge-76) vervalt tot selenium-76, die een kleinere massa heeft. Wanneer germanium vervalt, massa wordt omgezet in energie die wordt meegevoerd door de elektronen en de antineutrino's. "Als al die energie naar de elektronen gaat, dan blijft er niets over voor neutrino's, "Zei Radford. "Dat is een duidelijke identificatie dat we het evenement hebben gevonden waarnaar we op zoek waren."

De wetenschappers onderscheiden twee-neutrino versus neutrinoloze vervalmodi door hun energiesignaturen. "Het is een algemene misvatting dat onze experimenten neutrino's detecteren, " zei Jason Detwiler van de Universiteit van Washington, die mede-woordvoerder is van de MAJORANA-samenwerking. "Het is bijna komisch om het te zeggen, maar we zoeken naar de afwezigheid van neutrino's. In het neutrinoloze verval, de vrijgekomen energie is altijd een bepaalde waarde. In de versie met twee neutrino's, de vrijgekomen energie varieert, maar is altijd kleiner dan voor neutrinoloos dubbel-bèta-verval."

De MAJORANA DEMONSTRATOR heeft aangetoond dat de neutrinoloze dubbele bètavervalhalfwaardetijd van Ge-76 ten minste 10 ²⁵ jaar — 15 orden van grootte langer dan de leeftijd van het heelal. Het is dus onmogelijk om te wachten tot een enkele germaniumkern vervalt. "We omzeilen de onmogelijkheid om lang naar één kern te kijken door in plaats daarvan te kijken in de orde van 10 ²⁶ kernen voor een kortere tijd, ", legt medewoordvoerder Vincente Guiseppe van de University of South Carolina uit.

De kans om een ​​neutrinoloos dubbel-bèta-verval te zien in Ge-76 is zeldzaam - niet meer dan 1 op elke 100, 000 twee-neutrino dubbel-bèta verval, zei Guiseppe. Het gebruik van detectoren die grote hoeveelheden germaniumatomen bevatten, vergroot de kans op het spotten van het zeldzame verval. Tussen juni 2015 en maart 2017, de wetenschappers hebben geen gebeurtenissen waargenomen met het energieprofiel van neutrinoloos verval, het proces dat nog niet is waargenomen (dit was te verwachten gezien het kleine aantal germaniumkernen in de detector). Echter, ze werden aangemoedigd om veel gebeurtenissen te zien met het energieprofiel van twee-neutrino-verval, het verifiëren van de detector zou het waargenomen vervalproces kunnen detecteren.

De resultaten van de MAJORANA-samenwerking vallen samen met nieuwe resultaten van een concurrerend experiment in Italië genaamd GERDA (voor GERmanium Detector Array), die een complementaire benadering hanteert om hetzelfde fenomeen te bestuderen. "De MAJORANA DEMONSTRATOR en GERDA hebben samen de laagste achtergrond van elk neutrinoloos dubbel-bèta-vervalexperiment, ' zei Radford.

De DEMONSTRATOR is ontworpen om de basis te leggen voor een experiment op tonschaal door aan te tonen dat achtergronden laag genoeg kunnen zijn om het bouwen van een grotere detector te rechtvaardigen. Net zoals grotere telescopen meer licht opvangen en zwakkere objecten kunnen bekijken, het vergroten van de massa van germanium zorgt voor een grotere kans om het zeldzame verval waar te nemen. Met 30 keer meer germanium dan het huidige experiment, het geplande experiment van één ton zou het neutrinoloze dubbele bètaverval van slechts één germaniumkern per jaar kunnen detecteren.

Het is de bedoeling dat de MAJORANA DEMONSTRATOR twee of drie jaar gegevens blijft verzamelen. In de tussentijd, een fusie met GERDA is in de maak om een ​​mogelijke detector van één ton te ontwikkelen, LEGEND genaamd, gepland om in fasen te worden gebouwd op een nog nader te bepalen locatie.

LEGENDE 200, de LEGEND demonstrator en stap naar een mogelijk toekomstig ton-schaal experiment, wordt een combinatie van GERDA, MAJORANA en nieuwe detectoren. Wetenschappers hopen tegen 2021 te kunnen beginnen met de eerste fase van LEGEND 200. Een experiment op grote schaal, LEGENDE 1000, zou de volgende fase zijn, indien goedgekeurd. "Deze fusie maakt gebruik van publieke investeringen in de MAJORANA DEMONSTRATOR en GERDA door de beste technologieën van elk te combineren, " zei de medewoordvoerder van LEGEND Collaboration (en tot vorig jaar lange tijd woordvoerder van MAJORANA) Steve Elliott van Los Alamos National Laboratory.

De titel van de Physical Review Letters-paper is "Search for Neutrinoless Double Beta Decay in 76Ge with the MAJORANA DEMONSTRATOR."