NUMEN-Projekt: Erforschung zentraler Aspekte des neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfalls durch Kernreaktionen

Das Standardmodell der Teilchenphysik repräsentiert vielleicht unser bisher am weitesten fortgeschrittenes Verständnis der Grundbausteine ​​des Universums, aber viele Physiker glauben, dass es unvollständig ist. Eine der verlockendsten Aussichten für die Aktualisierung des Modells ist der „neutrino-freie Double-Beta-Zerfall“ - ein Prozess, der seit vielen Jahrzehnten theoretisiert, aber noch nicht beobachtet wurde. Professor Francesco Cappuzzello von der Universität Catania und Dr. Clementina Agodi vom Nationalen Institut für Kernphysik (Laboratori Nazionali del Sud) sind die Hauptforscher des NUMEN-Projekts. Sie stellen die Bemühungen eines globalen Teams von Physikern dar und zielen letztendlich darauf ab, die Kernaspekte des neutrino-freien Doppel-Beta-Zerfalls zum ersten Mal aufzudecken.

Der Beta-Zerfall ist einer der bekanntesten Prozesse in der subatomaren Physik. Es tritt auf, wenn ein Atomkern aus bestimmten Anordnungen von Protonen und Neutronen besteht, die ihn instabil machen, wodurch er entweder ein Betateilchen (ein Elektron) aus einem seiner Neutronen freisetzt und es in ein Proton oder ein Anti-Betateilchen verwandelt (ein Positron) von einem seiner Protonen in ein Neutron umgewandelt. In einigen sehr seltenen Fällen kann es zu einem Doppel-Beta-Zerfall kommen, bei dem sich zwei Neutronen gleichzeitig in Protonen umwandeln oder umgekehrt, wobei entweder zwei Positronen oder zwei Elektronen freigesetzt werden.

Nach unserem derzeitigen Verständnis der Teilchenphysik, das durch eine Reihe von Regeln definiert wird, die als Standardmodell bezeichnet werden, müssen in jedem Prozess mehrere grundlegende Werte beibehalten werden, von denen einer die „Lepton-Zahl“ ist. Leptonen sind eine Familie grundlegender Teilchen, zu denen Positronen und Elektronen sowie ladungslose und extrem leichte Teilchen mit dem Namen Neutrinos gehören. Da Elektronen Materie und Positronen Antimaterie sind, schreibt das Standardmodell vor, dass sie während des Beta-Zerfalls zusammen mit einem Anti- oder einem Neutrino freigesetzt werden müssen.

Es wurde jedoch theoretisch eine andere Art von Betazerfall vorhergesagt, bei der dies nicht unbedingt der Fall ist. Beim "neutrino-less double beta" (0νββ) -Zerfall werden zwei Betateilchen emittiert, aber keine Neutrinos. Oberflächlich betrachtet scheint dieser Prozess die Erhaltung der Lepton-Zahl zu verletzen, doch seit mehreren Jahrzehnten haben Physiker Grund zu der Annahme, dass dies immer noch möglich ist. Daher hätte die experimentelle Beobachtung des Prozesses tiefgreifende Konsequenzen für unser derzeitiges Verständnis der fundamentalen Physik.

Das Standardmodell brechen 1937 machte der italienische Physiker Ettore Majorana einen faszinierenden Vorschlag: Es könnte möglich sein, dass einige Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sind. Wir wissen, dass dies bei den meisten Grundpartikeln nicht der Fall sein kann, da ein Partikel beispielsweise nicht sowohl positive als auch negative Ladungen haben kann. Aufgrund unseres derzeit eingeschränkten Verständnisses der Neutrinos besteht jedoch weiterhin die Möglichkeit, dass es sich um sogenannte Majorana-Partikel handelt.

Das MAGNEX-Spektrometer am INFN-LNS

Da der 0νββ-Zerfall keine Neutrinos emittiert, würde seine Beobachtung zum ersten Mal bestätigen, dass elementare Majoranapartikel existieren können. "0νββ-Zerfall ist möglicherweise die beste Ressource, um zu untersuchen, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind, wie von Majorana vorhergesagt, und um ihre wirksamen Massen zu extrahieren", erklärt Professor Cappuzzello. "Außerdem signalisiert der 0νββ-Zerfall, dass das genaue Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie in der Natur verletzt werden kann."

Diese Ungleichheit in der enormen Menge an Materie im Vergleich zur Antimaterie im Universum ist derzeit eines der größten Probleme, mit denen die Physiker konfrontiert sind. Die direkte Bestätigung, dass 0νββ-Zerfall auftreten kann, wäre daher eine große Sache für die Teilchenphysik, die Kernphysik und die Kosmologie; bietet Forschern möglicherweise die Werkzeuge, die sie benötigen, um das Standardmodell neu zu zeichnen und die fundamentalen Konstanten des Universums genauer zu beschreiben.

Wenn beobachtet, signalisiert der 0νββ-Zerfall, dass das genaue Gleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie in der Natur verletzt werden kann.

"Gegenwärtig gehört dieser Fall der Physik zu den wichtigsten Untersuchungen über das Standardmodell der Teilchenphysik hinaus", fährt Professor Cappuzzello fort. "Es könnte den Weg zu einer großen Einheitstheorie grundlegender Kräfte (elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen) weisen und die Quelle der im Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie aufdecken."

Der Wettlauf um die Entdeckung von 0νββDas Aufrütteln unseres Verständnisses der grundlegendsten Bausteine ​​des Universums ist verständlicherweise eine verlockende Perspektive für Physiker. Wie Dr. Agodi beschreibt, hat dies dazu geführt, dass die Jagd nach 0νββ-Zerfall in den letzten Jahren zugenommen hat. "Trotz der Tatsache, dass der Prozess nie beobachtet wurde, gibt es eine Art weltweiten Wettlauf, an dem große wissenschaftliche Kooperationen und internationale Labors auf den Gebieten der Neutrinos, der Kernphysik und der Teilchenphysik beteiligt sind, um ihn zu entdecken", sagt sie.

Theoretische Physiker haben eine Vielzahl von Methoden vorgeschlagen, um auf die extrem lange Abklingzeit für den 0νββ-Prozess (mehr als 1016-mal länger als die Lebensdauer des Universums) zu schließen, die sich aus den Regeln ergibt, die Atomkerne bei allen Doppel-Beta-Zerfällen einhalten müssen (ββ) ) Prozesse. "Da der ββ-Zerfallsprozess Übergänge in Atomkernen beinhaltet, müssen auch Kernstrukturprobleme berücksichtigt werden, um ihn zu beschreiben", fährt Professor Cappuzzello fort. "Die Schlüsselgrößen sind insbesondere das sogenannte Nuclear Matrix Element (NME), das die Wahrscheinlichkeit ausdrückt, dass sich der Elternkern infolge des ββ-Zerfalls spontan in einen Tochterkern umwandeln kann."

Basierend auf den neuesten theoretischen Berechnungen versuchen Physiker in weltweiten Studien nun, die NMEs zu bewerten, die die 0νββ-Zerfallszeit spezifisch steuern. Da es jedoch unglaublich schwierig wäre, den unmittelbar ablaufenden Prozess zu erfassen, stehen diese Berechnungen vor erheblichen Herausforderungen, wenn es darum geht, die Genauigkeit zu erreichen, die Physiker für ihre Experimente benötigen.

Detail des supraleitenden Zyklotronbeschleunigers am INFN-LNS

"Trotz der enormen Anstrengungen und Verbesserungen, die durch Nuklearstrukturstudien erzielt wurden, sind die Unklarheiten in den vorliegenden Modellen immer noch zu groß, um NMEs mit der erforderlichen Genauigkeit zu versorgen", sagt Dr. Agodi. In ihrer Forschung versuchen Professor Cappuzzello, Dr. Agodi und ihre Kollegen diese Genauigkeit erstmals mit Hilfe modernster Einrichtungen des INFN Laboratori Nazionali del Sud in Catania zu erreichen.

Die Beobachtung einer engen Analogie ββ-Zerfälle sind nicht die einzigen physikalischen Prozesse, bei denen zwei Ladungen gleichzeitig ausgetauscht werden. Wie Professor Cappuzzello erklärt, wären andere "Double Charge Exchange" -Prozesse (DCE) viel einfacher direkt zu beobachten als der 0νββ-Zerfall. "In diesem Szenario könnte die experimentelle Untersuchung von DCE-Reaktionen, bei denen es sich um Prozesse handelt, die analoge Kernübergänge als ββ-Zerfall fördern, wichtige Informationen liefern", sagt er. "Der Vorteil ist, dass DCEs unter kontrollierten Laborbedingungen untersucht werden können."

Das Team von Professor Cappuzzello und Dr. Agodi nutzt die Tatsache, dass die Prozesse, die dem 0νββ-Zerfall zugrunde liegen, mit denen für leichter zu beobachtende DCE-Reaktionen vergleichbar sind. Daher schlagen die Physiker vor, dass 0νββ-zerfallende NMEs durch Beobachtung von DCEs abgeleitet werden könnten, die in einer bestimmten kontrollierbaren Umgebung auftreten: Kollisionen zwischen schweren, sich schnell bewegenden Ionen.

Das Team hat in früheren Studien versucht, genau dies zu tun. Bisher wurden ihre Bemühungen jedoch durch die geringen Wahrscheinlichkeiten behindert, mit denen die Produkte ihrer Schwerionenkollisionen gestreut wurden - ein Wert, der als Kollisionsquerschnitt bezeichnet wird. Bei solch unmerklichen Querschnitten war es für die Physiker unglaublich schwierig zu wissen, wo sie nach Kollisionsprodukten suchen müssen, bei denen DCEs auftreten. Seit diesen Rückschlägen wurden jedoch neue Verbesserungen an der INFN-LNS-Einrichtung in Catania vorgenommen, die dem italienischen Nationalen Institut für Kernphysik gehört und deren Arbeit möglicherweise erheblich erleichtert wird.

Das INFN-LNS-Labor in Catania

Mit der neuen Ausrüstung hoffen Professor Cappuzzello und Dr. Agodis Team nun, Querschnittsmessungen von Schwerionenkollisionen wesentlich einfacher zu machen. „Kürzlich haben wir im INFN-LNS-Labor in Catania einen innovativen experimentellen Ansatz etabliert, mit dem wir solche experimentellen Herausforderungen weitgehend bewältigen und folglich quantitative Informationen zu NMEs aus DCE-Reaktionen extrahieren können“, berichtet Professor Cappuzzello.

NUMEN ist ein herausforderndes Projekt an der Schnittstelle von Kern- und Neutrinophysik, das von einem wichtigen Fall der Physik angetrieben wird.

Einführung: Das NUMEN-Projekt Im Jahr 2014 haben Professor Cappuzzello, Dr. Agodi und ihre Kollegen ihre Pläne für das NUMEN-Projekt (NUclear Matrix Elements for Neutrino-less Double Beta Decay) vorgestellt. "Das Ziel von NUMEN ist es, die nukleare Reaktion auf DCE-Reaktionen für alle Isotope zu untersuchen, die in gegenwärtigen und zukünftigen Studien zum 0νββ-Zerfall untersucht wurden", sagt Dr. Agodi. "Mehrere Aspekte des Projekts erfordern die Entwicklung innovativer Techniken, sowohl für die Versuchsanordnung als auch für die theoretische Interpretation der gesammelten Daten."

Das Herzstück der neuen Funktionen des NUMEN-Projekts sind zwei hochmoderne Installationen im INFN LNS-Labor Catania. Das erste Gerät heißt K800 Superconducting Cyclotron - ein Teilchenbeschleuniger, mit dem schwere Ionen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können und der präzise Frontalkollisionen zwischen Ionen gewährleistet. Zweitens wird das MAGNEX-Spektrometer die Produkte dieser Kollisionen mit unglaublich hoher Präzision analysieren. „Während K800 die Schwerionenstrahlen mit der erforderlichen hohen Auflösung und geringen Emission beschleunigt, erkennt MAGNEX die Reaktionsprodukte mit großer Akzeptanz und hoher Auflösung in Masse, Energie und Winkel“, erklärt Professor Cappuzzello.

Mit Hilfe dieser Einrichtungen und neuen theoretischen Berechnungen, die im Hinblick auf die NUMEN-Ergebnisse entwickelt wurden, hoffen die Forscher, bald die umfangreichste Suche nach 0νββ-NMEs beginnen zu können, die jemals durchgeführt wurde. „Die INFN-LNS-Einrichtung ist heute weltweit einzigartig für diese Forschung und wird voraussichtlich in Anbetracht einer umfassenden Modernisierung der gesamten Forschungsinfrastruktur in den kommenden Monaten in Betrieb gehen“, sagt Professor Cappuzzello.

Eine vielversprechende ZukunftDas NUMEN-Projekt steht für das Zusammentreffen von Köpfen aus den verschiedensten Bereichen der Physik. Wie Professor Cappuzzello und Dr. Agodi abschließen, glauben die Forscher von NUMEN, dass genau dies erforderlich ist, um eine wichtige neue Entdeckung zu machen. "NUMEN ist ein herausforderndes Projekt an der Schnittstelle von Kern- und Neutrinophysik, das von einem wichtigen Fall der Physik angetrieben wird und interessante wissenschaftliche Szenarien und potenzielle technologische Auswirkungen eröffnet", heißt es.

In den kommenden Jahren werden die an dem Projekt beteiligten Forscher an vorderster Front im globalen Wettlauf um die experimentelle Entdeckung des 0νββ-Zerfalls stehen und erste eindeutige Beweise für die Existenz von Majorana-Partikeln liefern. Wenn sie erfolgreich sind, könnte endlich eine lang erwartete Umstellung des Standardmodells verwirklicht werden, die eine beispiellose Gelegenheit bietet, die grundlegendsten Bausteine ​​des Universums zu erforschen.

Persönliche Antwort

Das NUMEN-Projekt ist eine wirklich globale Zusammenarbeit. Können Sie uns einen Einblick in die Entstehungsgeschichte dieser Zusammenarbeit geben?

Wir haben NUMEN 2014 im Rahmen der Initiative „WHAT NEXT?“ Vorgeschlagen, in der sich das INFN nach möglichen zukünftigen Wegen in der Physik grundlegender Wechselwirkungen erkundigte .Cavallaro und F.Cappuzzello). NUMEN wurde als würdig für die INFN-Herausforderung eingestuft und von einem angesehenen internationalen Bewertungskomitee überprüft, das dies nachdrücklich unterstützte. Ursprünglich waren wir nur wenige Forscher von Catania, aber in Kürze zog NUMEN mehrere Kollegen an, sodass wir alle Aspekte der Herausforderung abdecken konnten. Heute sind wir etwa 100 Forscher aus 35 Institutionen in 15 Ländern.

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