In de zoektocht om te bewijzen dat materie kan worden geproduceerd zonder antimaterie, het GERDA-experiment in het Gran Sasso Underground Laboratory in Italië zoekt naar tekenen van neutrinoloos dubbel bètaverval. Het experiment heeft wereldwijd de grootste gevoeligheid voor het detecteren van het betreffende verval. Om de kans op succes verder te vergroten, een vervolgproject, LEGENDE, maakt gebruik van een nog verfijnder verval-experiment.

Hoewel het standaardmodel van deeltjesfysica grotendeels onveranderd is gebleven sinds de eerste conceptie, experimentele waarnemingen voor neutrino's hebben ertoe geleid dat het neutrino-gedeelte van de theorie in zijn geheel moet worden heroverwogen.

Neutrino-oscillatie was de eerste waarneming die niet strookte met de voorspellingen, en bewijst dat neutrino's een massa hebben die niet nul is, een eigenschap die in tegenspraak is met het standaardmodel. anno 2015, deze ontdekking werd beloond met de Nobelprijs.

Aanvullend, er is het al lang bestaande vermoeden dat neutrino's zogenaamde Majorana-deeltjes zijn:in tegenstelling tot alle andere bestanddelen van materie, neutrino's kunnen hun eigen antideeltjes zijn. Dit zou ook verklaren waarom er zoveel meer materie dan antimaterie in het heelal is.

Het GERDA-experiment is ontworpen om de Majorana-hypothese te onderzoeken door te zoeken naar het neutrinoloze dubbele bètaverval van de germaniumisotoop ⁷⁶ Ge:Twee neutronen in a ⁷⁶ Ge-kern transformeert tegelijkertijd in twee protonen met de emissie van twee elektronen. Dit verval is verboden in het Standaardmodel omdat de twee antineutrino's - de balancerende antimaterie - ontbreken.

De Technische Universiteit van München (TUM) is al vele jaren een belangrijke partner van het GERDA-project (GERmanium Detector Array). Prof. Stefan Schönert, die aan het hoofd staat van de TUM-onderzoeksgroep, is de spreker van het nieuwe LEGEND-project.

Het GERDA-experiment bereikt extreme niveaus van gevoeligheid

GERDA is het eerste experiment dat uitzonderlijk lage niveaus van achtergrondruis bereikt en heeft nu de gevoeligheid van de halfwaardetijd voor verval van 10 overtroffen ²⁶ jaar. Met andere woorden, GERDA bewijst dat het proces een halfwaardetijd heeft van minimaal 10 ²⁶ jaar, of 10, 000, 000, 000, 000, 000 keer de leeftijd van het heelal.

Natuurkundigen weten dat neutrino's minstens 100 zijn, 000 keer lichter dan elektronen, de volgende zwaarste deeltjes. Hun exacte massa, echter, is nog onbekend, en is een ander belangrijk onderzoeksonderwerp.

In de standaardinterpretatie de halfwaardetijd van het neutrinoloze dubbele bètaverval houdt verband met een speciale variant van de neutrinomassa, de Majorana-massa. Gebaseerd op de nieuwe GERDA-limiet en die van andere experimenten, deze massa moet minstens 1 miljoen keer kleiner zijn dan die van een elektron, of in termen van natuurkundigen, minder dan 0,07 tot 0,16 eV/c ² .

In de deeltjesfysica worden massa's niet in kilogram gespecificeerd, maar eerder in overeenstemming met de vergelijking van Einstein E=mc ² :elektronvolt [eV] gedeeld door de lichtsnelheid in het kwadraat. Elektronenvolt is een maat voor energie. Deze conventie wordt gebruikt om ondoorgrondelijk kleine eenheden van massa te omzeilen:1 eV/c ² komt overeen met 1,8 × 10 ^-36 kilogram.

In overeenstemming met andere experimenten

Aanvullend, andere experimenten beperken de neutrinomassa:de Planck-missie geeft een limiet aan een andere variant van de neutrinomassa - de som van de massa's van alle bekende neutrinotypes is minder dan 0,12 tot 0,66 eV/c ² .

Het tritiumverval-experiment KATRIN van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) is opgezet om de neutrinomassa te meten met een gevoeligheid van ongeveer 0,2 eV/c ² in de komende jaren. Deze massa's zijn niet direct vergelijkbaar, maar ze bieden een kruiscontrole op het paradigma dat neutrino's Majorana-deeltjes zijn. Tot dusver, er is geen afwijking geconstateerd.

Van GERDA tot LEGEND

Tijdens de gerapporteerde gegevensverzamelingsperiode, GERDA bediende detectoren met een totale massa van 35,6 kg of ⁷⁶ Ge. Nutsvoorzieningen, een nieuw gevormde internationale samenwerking, LEGENDE, zal deze massa verhogen tot 200 kg van ⁷⁶ Ge tot 2021 en het achtergrondgeluid verder verminderen. Het doel is om een ​​gevoeligheid van 10 . te bereiken ²⁷ jaar in de komende vijf jaar.