Se quantidades iguais de matéria e antimatéria tivessem se formado no Big Bang há mais de 13 bilhões de anos, um teria aniquilado o outro ao se encontrar, e o universo de hoje estaria cheio de energia, mas não importa para formar estrelas, planetas e vida. No entanto, a matéria existe agora. Esse fato sugere que algo está errado com as equações do Modelo Padrão que descrevem a simetria entre as partículas subatômicas e suas antipartículas. Em um estudo publicado em Cartas de revisão física , colaboradores da MAJORANA DEMONSTRATOR, um experimento liderado pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, mostraram que podem proteger um sensível, matriz detectora escalonável de germânio de 44 quilogramas da radioatividade de fundo.

Essa conquista é crítica para desenvolver e propor um futuro experimento muito maior - com aproximadamente uma tonelada de detectores - para estudar a natureza dos neutrinos. Essas partículas eletricamente neutras interagem apenas fracamente com a matéria, tornando sua detecção extremamente difícil.

"O excesso de matéria em relação à antimatéria é um dos mistérios mais atraentes da ciência, "disse John Wilkerson do ORNL e da Universidade da Carolina do Norte, Chapel Hill. Wilkerson lidera o MAJORANA DEMONSTRATOR, que envolve 129 pesquisadores de 27 instituições e 6 nações. "Nosso experimento busca observar um fenômeno chamado 'decaimento beta duplo sem neutrinos' em núcleos atômicos. A observação demonstraria que os neutrinos são suas próprias antipartículas e têm profundas implicações para a nossa compreensão do universo. Além disso, essas medições podem fornecer uma melhor compreensão da massa do neutrino. "

Em um relatório de 2015 do Comitê Consultivo de Ciência Nuclear dos EUA para o Departamento de Energia e a National Science Foundation, um experimento em escala ton liderado pelos EUA para detectar decaimento beta duplo sem neutrinos foi considerado uma das principais prioridades da comunidade de física nuclear. Quase uma dúzia de experimentos buscaram decaimento beta duplo sem neutrinos, e tantos experimentos futuros foram propostos. Uma das chaves para o sucesso depende de evitar o fundo que pode imitar o sinal do decaimento beta duplo sem neutrinos.

Essa foi a principal conquista da DEMONSTRADORA MAJORANA. Sua implementação foi concluída em Dakota do Sul em setembro de 2016, quase uma milha subterrânea no Sanford Underground Research Facility. Colocar o experimento sob quase um quilômetro de rocha foi o primeiro de muitos passos que os colaboradores deram para reduzir a interferência do fundo. Outras etapas incluíram um criostato feito do cobre mais puro do mundo e um escudo complexo de seis camadas para eliminar a interferência dos raios cósmicos, radon, pó, impressões digitais e isótopos radioativos de ocorrência natural.

"Se você vai pesquisar decaimento beta duplo sem neutrinos, é fundamental saber que o fundo radioativo não vai sobrecarregar o sinal que você procura, "disse David Radford do ORNL, um cientista líder no experimento.

Existem muitas maneiras de um núcleo atômico se desintegrar. Um modo de decaimento comum ocorre quando um nêutron dentro do núcleo emite um elétron (chamado de "beta") e um antineutrino para se tornar um próton. No decaimento beta duplo de dois neutrinos, dois nêutrons decaem simultaneamente para produzir dois prótons, dois elétrons e dois antineutrinos. Este processo foi observado. A Colaboração MAJORANA busca evidências de um processo de decadência semelhante que nunca foi observado, em que nenhum neutrino é emitido.

Conservação do número de léptons - partículas subatômicas, como elétrons, múons ou neutrinos que não participam de interações fortes - foi escrito no Modelo Padrão de Física. "Não há um bom motivo para isso, apenas a observação de que parece que é o caso, "disse Radford." Mas se o número de leptões não for conservado, quando adicionado a processos que pensamos ter acontecido durante o início do universo, isso pode ajudar a explicar por que há mais matéria do que antimatéria. "

Muitos teóricos acreditam que o número de leptões não é conservado, que o neutrino e o antineutrino - que se supôs terem números de leptões opostos - são na verdade a mesma partícula girando de maneiras diferentes. O físico italiano Ettore Majorana introduziu esse conceito em 1937, predizer a existência de partículas que são suas próprias antipartículas.

O MAJORANA DEMONSTRATOR usa cristais de germânio como fonte de decaimento beta duplo e como meio para detectá-lo. Germânio-76 (Ge-76) decai para se tornar selênio-76, que tem uma massa menor. Quando o germânio decai, a massa é convertida em energia que é carregada pelos elétrons e antineutrinos. "Se toda essa energia for para os elétrons, então não sobra nenhum para os neutrinos, "Radford disse." Esse é um identificador claro de que encontramos o evento que procuramos.

Os cientistas distinguem os modos de decaimento de dois neutrinos e sem neutrinos por suas assinaturas de energia. "É um equívoco comum que nossos experimentos detectam neutrinos, "disse Jason Detwiler, da Universidade de Washington, que é co-porta-voz da Colaboração MAJORANA. "É quase cômico dizer isso, mas procuramos a ausência de neutrinos. Na decadência sem neutrinos, a energia liberada é sempre um valor particular. Na versão de dois neutrinos, a energia liberada varia, mas é sempre menor do que para o decaimento beta duplo sem neutrinos. "

O MAJORANA DEMONSTRATOR mostrou que a meia-vida do decaimento beta duplo sem neutrinos do Ge-76 é de pelo menos 10 ²⁵ anos - 15 ordens de magnitude a mais do que a idade do universo. Portanto, é impossível esperar que um único núcleo de germânio se decomponha. "Contornamos a impossibilidade de observar um núcleo por um longo tempo observando na ordem de 10 ²⁶ núcleos por um período menor de tempo, "explicou o co-porta-voz Vincente Guiseppe, da University of South Carolina.

As chances de detectar um decaimento beta duplo sem neutrinos em Ge-76 são raras - não mais do que 1 para cada 100, 000 decaimentos beta duplo de dois neutrinos, Disse Guiseppe. O uso de detectores contendo grandes quantidades de átomos de germânio aumenta a probabilidade de detectar os decaimentos raros. Entre junho de 2015 e março de 2017, os cientistas não observaram eventos com o perfil de energia da decomposição sem neutrinos, o processo que ainda não foi observado (isso era esperado dado o pequeno número de núcleos de germânio no detector). Contudo, eles foram encorajados a ver muitos eventos com o perfil de energia de decaimentos de dois neutrinos, verificar o detector pode detectar o processo de deterioração que foi observado.

Os resultados da Colaboração MAJORANA coincidem com os novos resultados de um experimento concorrente na Itália chamado GERDA (para GERmanium Detector Array), que tem uma abordagem complementar para estudar o mesmo fenômeno. "O MAJORANA DEMONSTRATOR e o GERDA juntos têm o fundo mais baixo de qualquer experimento de decaimento beta duplo sem neutrinos, "disse Radford.

O DEMONSTRATOR foi projetado para estabelecer as bases para um experimento em escala de toneladas, demonstrando que os fundos podem ser baixos o suficiente para justificar a construção de um detector maior. Assim como telescópios maiores coletam mais luz e permitem a visualização de objetos mais fracos, aumentar a massa do germânio permite uma maior probabilidade de observar a rara decomposição. Com 30 vezes mais germânio do que o experimento atual, o experimento planejado de uma tonelada seria capaz de detectar o decaimento beta duplo sem neutrinos de apenas um núcleo de germânio por ano.

O MAJORANA DEMONSTRATOR está planejado para continuar a coletar dados por dois ou três anos. Enquanto isso, uma fusão com a GERDA está em andamento para desenvolver um possível detector de uma tonelada chamado LEGEND, planejada para ser construída em estágios em um local ainda a ser determinado.

LEGEND 200, o demonstrador LEGEND e passo em direção a um possível experimento futuro em escala de toneladas, será uma combinação de GERDA, MAJORANA e novos detectores. Os cientistas esperam começar o primeiro estágio do LEGEND 200 até 2021. Um experimento em escala de toneladas, LEGEND 1000, seria a próxima etapa, se aprovado. “Esta fusão potencializa os investimentos públicos na MAJORANA DEMONSTRATOR e GERDA ao combinar as melhores tecnologias de cada uma, "disse o co-porta-voz da LEGEND Collaboration (e porta-voz de longa data da MAJORANA até o ano passado) Steve Elliott do Laboratório Nacional de Los Alamos.

O título do artigo Physical Review Letters é "Search for Neutrinoless Double Beta Decay in 76Ge com o MAJORANA DEMONSTRATOR."