Cercando il decadimento doppio beta senza neutrini

La disintegrazione beta doppia senza Neutrini è un tipo speciale di processo nucleare che, se osservato, potrebbe cambiare il nostro modo di capire l'universo. Questa disintegrazione coinvolge un nucleo che rilascia due elettroni senza emettere neutrini. I neutrini sono particelle piccolissime che di solito sono legate a questo tipo di disintegrazione. Trovare questa disintegrazione significherebbe che i neutrini sono le loro stesse antiparticelle. Questa scoperta potrebbe aiutare gli scienziati a determinare la massa dei neutrini, indagare le loro origini e fare chiarezza su perché ci sia più materia che antimateria nell'universo.

#Sviluppo del Progetto

Per cercare questa rara disintegrazione, i ricercatori pianificano di costruire un esperimento nel Laboratorio Sotterraneo di China Jinping (CJPL). Useranno una Camera a Proiezione Temporale (TPC) riempita con gas ad alta pressione fatto di un composto chiamato SeF6. La TPC avrà sensori speciali per catturare i segnali creati dagli eventi di disintegrazione.

Il CJPL è un luogo ideale grazie al suo spesso scudo di roccia che può bloccare molta radiazione di fondo. L'esperimento beneficia dell'alta energia dell'isotopo specifico coinvolto nel processo di disintegrazione, il che rende più facile distinguere tra eventi di disintegrazione reali e rumore di fondo indesiderato.

#La Fisica Dietro l'Esperimento

Il Modello Standard è una grande teoria della fisica che descrive come interagiscono le particelle. A lungo si è supposto che i neutrini non avessero massa. Tuttavia, esperimenti hanno mostrato che i neutrini oscillano, il che suggerisce che abbiano massa. Rimangono alcune domande, come se i neutrini siano particelle di Dirac o di Majorana e quali siano i loro valori di massa.

Le particelle di Dirac sono quelle che hanno particelle e antiparticelle distinte, mentre le Particelle di Majorana sono le stesse delle loro antiparticelle. Se i neutrini vengono dimostrati essere particelle di Majorana, potrebbe spiegare perché abbiano masse molto più piccole rispetto alle particelle cariche.

Gli esperimenti sulla disintegrazione beta doppia senza neutrini possono fornire evidenze per mostrare se i neutrini siano davvero particelle di Majorana. Se questa disintegrazione avviene, sarebbe una prova forte di nuova fisica oltre il Modello Standard.

#Importanza di Comprendere i Neutrini

Scoprire se i neutrini sono particelle di Majorana potrebbe aiutare a capire la composizione dell'universo. Questo include chiarire il motivo per cui c'è uno squilibrio tra materia e antimateria osservato nel cosmo. La disintegrazione viola anche alcuni principi fondamentali della fisica, rendendola un'area importante di studio.

#Come Funzionerà l'Esperimento

Il processo di osservare la disintegrazione beta doppia senza neutrini è molto difficile poiché avviene così raramente. Un certo numero di grandi esperimenti ha cercato di rilevare questo tipo di disintegrazione, inclusi quelli in Cina.

Per l'esperimento proposto, i ricercatori utilizzeranno una camera a proiezione temporale riempita con gas SeF6. Questo gas è efficace per raccogliere segnali dall'evento di disintegrazione. Una fase iniziale dell'esperimento punterà a raccogliere 100 kg di gas, con l'installazione prevista entro il 2025.

#Caratteristiche Uniche dell'Esperimento

Un punto di forza di questo esperimento è l'uso di una TPC ad alta pressione per differenziare tra segnali ed eventi di fondo. L'alta energia associata alla disintegrazione rende più facile individuare questi eventi rari rispetto al rumore di fondo.

#Concetti di Design e Vantaggi

I ricercatori hanno sviluppato un design per l'esperimento che include una camera di pressione per contenere il gas SeF6 e uno scudo interno in rame per ridurre la radiazione di fondo. Il componente principale, la TPC, sarà posizionato all'interno della camera di pressione e consisterà in più strati per garantire letture accurate.

Due tipi di eventi si verificheranno nella TPC: gli elettroni doppi dalla disintegrazione e interazioni con altre particelle. Per identificare questi elettroni, la TPC utilizzerà caratteristiche specifiche dei loro movimenti.

#Camera di Pressione

La camera di pressione sarà progettata per mantenere il gas SeF6 a un'alta pressione di 1 MPa. Questo aiuta ad aumentare la quantità di gas all'interno della camera, mentre impedisce che si trasformi in liquido. All'interno della camera, uno scudo in rame bloccherà la radiazione esterna.

#Sistema di Raffreddamento

Un aspetto importante del design è il raffreddamento. I sensori nella TPC genereranno calore, che potrebbe disturbare le letture causando flusso di gas. Per affrontare questo, sarà installato un conduttore di calore che si collega a una piastra di raffreddamento esterna per regolare efficacemente la temperatura.

#Manutenzione e Misure di Sicurezza

Dato che il gas SeF6 è tossico, l'esperimento ha misure di sicurezza in atto. L'area sperimentale sarà ermeticamente sigillata e verrà usato ioduro di potassio come misura di emergenza per assorbire eventuali gas fuoriusciti. Il setup garantirà anche che chi lavora all'esperimento rimanga in un ambiente sicuro.

#Stima del Rumore di Fondo e Sensibilità

Una delle sfide più grandi nel rilevare la disintegrazione beta doppia senza neutrini è affrontare le diverse fonti di rumore di fondo. La radiazione di fondo può provenire da materiali radioattivi naturali nell'ambiente, che potrebbero produrre particelle che imitano i segnali degli eventi di disintegrazione reali.

Per minimizzare il rumore di fondo, i ricercatori utilizzeranno diversi strati di schermatura. Rame e piombo fungeranno da barriere contro diversi tipi di radiazione, mentre il polietilene ad alta densità assorbirà i neutroni.

#Radiazione Radioattiva Naturale

L'esperimento si svolgerà in un ambiente con radioattività naturale. Questo fondo deve essere misurato e considerato nel design dell'esperimento. I ricercatori hanno effettuato simulazioni per capire quanto il decadimento radioattivo dei materiali circostanti possa influenzare l'esperimento.

#Rumore di Neutroni

I neutroni possono essere particolarmente problematici perché possono penetrare più facilmente nei materiali. La presenza di neutroni potrebbe attivare materiali nel rivelatore, portando a segnali indesiderati. Per affrontare questo, sarà posizionata una schermatura in HDPE per assorbire i neutroni prima che possano raggiungere le parti sensibili dell'esperimento.

#Radiazione Cosmica

I materiali utilizzati nell'esperimento potrebbero essere attivati dai raggi cosmici, creando segnali di fondo aggiuntivi. Per ridurre il loro impatto, i ricercatori punteranno a minimizzare l'esposizione ai raggi cosmici.

#Eventi di Accumulo e Sensibilità Complessiva

Uno dei rischi per risultati accurati è la potenziale presenza di eventi di accumulo. Questi si verificano quando i segnali di più eventi si sovrappongono, rendendo difficile distinguerli. Utilizzando tecniche di analisi avanzate, la possibilità di eventi di accumulo può essere ridotta, migliorando così la chiarezza dei risultati.

In conclusione, questo esperimento mira a cercare la disintegrazione beta doppia senza neutrini attraverso un setup appositamente progettato nel Laboratorio Sotterraneo di China Jinping. Concentrandosi sulla riduzione del rumore di fondo e sul miglioramento della sensibilità, i ricercatori sperano di fare progressi significativi nella comprensione del ruolo dei neutrini nell'universo.