I de senere år har nogle store fysikeksperimenter over hele verden forsøgt at indsamle bevis for en nuklear proces kendt som neutrinoløs dobbelt beta (0νββ) forfald. Dette er en sjælden proces, der indebærer det samtidige forfald af to neutroner i en kerne i to protoner uden at resultere i emission af neutrinoer, som i stedet er forbundet med standard dobbelt beta -forfald.
Observationen af neutrinoløs dobbelt beta -henfald kan have vigtige konsekvenser for studiet af stof og antimaterie. Faktisk ville det bekræfte, at neutrinoer og deres antipartikler (dvs. antineutrinos) faktisk er den samme, en hypotese, der først blev introduceret af den teoretiske fysiker Ettore Majorana i 1937.
Det Amore (Advanced MO-baserede sjældne proceseksperiment) -samarbejde, et stort internationalt forskerteam, har søgt efter neutrinoløs dobbelt beta-forfald ved hjælp af molybdatscintillating krystaller, der opererer ved Milli-Kelvin-temperaturer.
I et papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveforskerne offentliggjorde resultaterne af deres seneste søgning og satte nye begrænsninger, der kunne vejlede fremtidige bestræbelser, der sigter mod at observere denne sjældne nukleare proces.
“Neutrinoen er en af de elementære partikler i standardmodellen. Det blev ‘opfundet’ af Wolfgang Pauli for omkring hundrede år siden og opdagede et par årtier senere end det,” fortalte Yoomin Oh, tilsvarende forfatter af papiret, til LektieForum.
“Det er den mest rigelige partikel i universet, men mange af dets egenskaber, inklusive dens masse, er stadig indhyllet og ikke godt forklaret af standardmodellen.”
Det primære mål med Amore -eksperimentet er at måle massen af neutrinoer og besvare nøgleforskningsspørgsmål vedrørende symmetrien mellem stof og antimaterie.
For at opnå dette forsøgte Amore-samarbejdet at observere neutrinoløs dobbelt beta-forfald ved hjælp af molybdæn-100 (100Mo), en radioaktiv isotop af molybdæn med et atomnummer på 42 og et massetal på 100.
“Hvis neutrinoen og dens antipartikel (antineutrino) er de samme, som først antydet af Majorana, kunne forfaldsprocessen forekomme uden at udsende neutrinoer,” forklarede Yoomin.
“Fordi sandsynligheden for sådan forfald er virkelig lav, er man dybest set nødt til at forberede en masse af de forfaldne isotoper og vente på, at forfaldssignalet bliver detekteret i et lavt baggrundsmiljø. Dette er, hvordan de fleste dobbelt beta -henfaldsmålinger indsamles, inklusive dem, vi indsamler som en del af Amore -eksperimentet.”
For at gennemføre sin seneste søgning efter neutrinoløs dobbelt beta -forfald udarbejdede Amore -samarbejdet adskillige kg molybdæn, beriget i 100Mo, i form af scintillating krystaller. En partikelinteraktion i disse krystaller producerer et varme- og lyssignal. Et lavtemperaturdetektorsystem, der indkapsler krystallerne, var placeret 700 meter under jorden på Yangyang Underground Laboratory i Korea.
“Vi udførte Amore-I-eksperimentet med den bedste følsomhed nogensinde for at observere neutrinoløs dobbelt beta-forfald af molybdæn-100, men vi har ikke fundet noget tydeligt signal,” sagde Yoomin. “Resultatet af kun baggrund førte til, at vi indstillede den mest forbedrede grænse for forfaldet halvliv på MO-100.”
De nye grænser, som Amore -samarbejdet, der er sat på neutrinoløs dobbelt beta -forfald, kunne hjælpe med at bedre målrette fremtidige søgninger efter denne undvigende proces.
I mellemtiden planlægger Amore -samarbejdet at gennemføre yderligere søgninger ved hjælp af detektionssystemer på et nybygget laboratorium i Korea, kaldet Yemilab, som er 1000 m under jorden.
“Den næste fase af Amore, Amore-II, er under forberedelse i Yemilab for at starte sine dataoptagelser om året,” tilføjede Yoomin.
“Det er udfordrende at bruge ca. 100 kg molybdæn-baserede krystaldetektorer i en stor ultra-lav temperaturdetektor og opnå meget lav baggrund på samme tid. Dette kommende eksperiment vil være en af de mest følsomme søgninger efter neutrinoløs dobbelt beta-forfald i verden.”