Studiul neutrinilor ar putea contribui la descifrarea misterul dispariției antimateriei din Univers imediat după Big Bang. Diverse experimente conduse la ele mai performante laboratoare din lume studiază aceste minuscule particule. Printre aceste experimente se numără și Majorana Demonstrator, în laboratorul subteran american Sanford Underground Research Facility, care încearcă să descopere dezintegrările beta duble fără emisie de neutrini.
Modelul standard al cosmologiei ne spune că Universul – adică materia, spațiul și timpul – au luat naștere acum circa 13.8 miliarde de ani, în urma Big Bangului. Conform acestui model, imediat după Big Bang în Univers existau cantități egale de materie și antimaterie. Faptul că la ora actuală în Univers nu există urme de antimaterie înseamnă că aceasta a dispărut – altfel anihilarea materiei cu antimateria ar fi lăsat un Univers plin de energie (fotoni), însă fără materie (stele, galaxii, planete). Ce s-a întâmplat deci cu antimateria, unde a dispărut?
Una dintre teoriile care explică dispariția antimateriei din Universul timpuriu este legată de neutrini, mai precis de natura acestor misterioase particule din cadrul Modelului Standard al fizicii particulelor elementare. Neutrinii sunt de trei tipuri: neutrini electronici, muonici și tauonici. Ei interacționează doar prin interacțiuni slabe cu restul materiei. Nu se știe dacă neutrinii și antineutrinii sunt una și aceeași particulă sau, dimpotrivă, două particule diferite. Tocmai posibilitatea ca neutrinii să fie aceeași particulă cu antineutrinii ar putea explica parte din misterul dispariției antimateriei din Univers, întrucât ar reprezenta o dovadă a neconservării așa-numitului număr leptonic. Fizicianul italian Ettore Majorana a fost cel care, în 1937, a propus această posibilitate.
O altă întrebare este legată de masa neutrinilor: știm că au masă, extrem de mică, dar aceasta nu a fost încă măsurată. O modalitate pentru a răspunde ambelor întrebări – care este masa neutrinilor și dacă antineutrinii sunt aceleași particule cu neutrinii – este studiul proceselor de dublă dezintegrare beta fără emisie de neutrini, procese în care un nucleu se dezintegrează în altul în urma transformării a doi neutroni în doi protoni cu emisie de doi electroni, fără emisie de neutrini. Acest lucru este posibil doar dacă neutrinii și antineutrinii sunt una și aceeași particulă. În cadrul procesului „normal” de dublă dezintegrare beta pe lângă cei doi electroni se emit și doi antineutrini.
Acest proces este studiat în cadrul mai multor experimente efectuate în laboratoare subterane, pentru a proteja aparatul de măsură de razele cosmice care pot ascunde semnalul analizat. Unul dintre cele mai recente studii este cel din cadrul colaborării Majorana Demonstrator, la care participă 129 de cercetători din șase țări și 27 de institute, și care a făcut o măsurătoare de test în laboratorul subteran american din South Dakota, Sanford Undeerground Research Facility, situat la o adâncime de peste 1.400 de metri.
Majorana Demonstrator este alcătuit din 44 de kilograme de Germaniu-76, reprezentând atât sursa de dezintegrare beta dublă cât și detectorul proceselor. Ge-76 se dezintegrează în seleniu-76, în urma transformării a doi neutroni în doi protoni cu emisia a doi electroni. În procesele normale sunt emiși și doi antineutrini. Dacă însă neutrinul și antineutrinul sunt aceeași particulă, emisia de neutrini poate să nu aibă loc – este exact ceea ce Majorana Demostrator caută să determine. În cadrul experimentului este practic măsurată energia electronilor: dacă nu are loc emisie de neutrini, atunci această energie are o valoare specifică, mai mare decât în cazul în care sunt emiși și antineutrinii.
Pentru viitor cercetătorii au în vedere un experiment în care detectorul de germaniu să aibă 1.000 kg, deci de mai bine de 20 de ori mai mult decât cantitatea utilizată în prezent, crescând mult sensibilitatea experimentului.
Neutrinii ar putea deci dezvălui misterul dispariției antimateriei din Univers. Studiul lor în diverse laboratoare subterane din lume este unul dintre cele mai importante la ora actuală în fizica modernă.
