GERDA

Fisica degli eventi rari: GERDA

Staff

R. Brugnera, A. Garfagnini, I. Lippi, C. Sada

Borsisti

S. Hemmer, K. von Sturm

Associati INFN

A. Bettini

Attività di ricerca

Le oscillazioni dei neutrini hanno stabilito che i neutrini hanno massa.
Tuttavia, le oscillazioni dei neutrini sonosensibili alle differenze di massa al quadrato degli autostati di massa.
Rimangono pertanto irrisolti tra i molti problemi sia la scala assoluta della massa del neutrino che la sua natura (di Dirac o di Majorana).
Il decadimento beta senza emissione di neutrini puo' invece fornire informazioni preziose su entrambe le questioni.
Mentre il doppio decadimento beta con neutrini, (N(A,Z) --> N(A,Z+2) + 2e- + 2 antineutrini elettronici), pur essendo raro e' permesso dal Modello Standard, il decadimento beta senza emissione di  neutrini, (N(A,Z) --> N(A,Z+2) + 2e-), e' un processo proibito entro il Modello Standard perche' viola di due unita' la conservazione del numero totale leptonico. 
Una sua possibile osservazione potrebbe essere spiegata con il fatto che il neutrino e' di Majorana (vale a dire che il neutrino e l'antineutrino sono la stessa particella).
Il valore sperimentalmente misurato dell'ampiezza del decadimento darebbe informazione sulla massa di Majorana del neutrino elettronico.
L'esperimento GERDA (GERmanium Detector Array) ricerca il decadimento beta senza neutrini utilizzando l'isotopo 76 del germanio. Il rivelatore e' posto nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
Essendo il processo ricercato estremamente raro, e' necessario evitare ed  eliminare tutti gli eventi che possono nascondere il segnale (eventi di fondo). Ecco perche' e' stato  costruito sotto al Gran Sasso (la montagna protegge il
rivelatore dai raggi  cosmici) ed ecco la ragione della sua particolare costruzione.
In GERDA i rivelatori a germanio arricchiti all'86% nell'isotopo 76 sono impiegati nudi entro un criostato contenente argon liquido di elevata purezza. Per schermare ulteriormente tali rivelatori il criostato e' circondato da una grande massa d'acqua.
In una prima fase di presa dati GERDA e' riuscito a scartare una evidenza di scoperta del processo di decadimento doppio beta proveniente da una parte dell'esperimento Heidelberg-Mosca.
In una seconda fase (attualmente in corso) ha ridotto gli eventi di fondi al livello record di ~10^-3 conteggi/(keV kg yr) attorno al Q valore del decadimento doppio beta. Dopo una esposizione di circa 100 kg yr con questo livello di fondi, si potranno misurare tempi di dimezzamento pari 2*10^26 anni al 90% di livello di confidenza.
Supponendo che il processo di decadimento doppio beta senza neutrini sia guidato dallo scambio di neutrini di Majorana, l'esperimento sarebbe sensibile a masse effettive del neutrino di Majorana attorno a 0.09 - 0.29 eV. Il setup sperimentale di GERDA permette pure di sviluppare e provare le  tecniche sperimentali necessarie per un futuro esperimento che tenti di sondare valori di massa del neutrino nella regione della gerarchia inversa (O(10) meV).

Ulteriori informazioni:

https://www.mpi-hd.mpg.de/gerda/home.html
http://gerda.pd.infn.it/

Alcune pubblicazioni recenti:

M. Agostini et al. (GERDA Collaboration), Background-free search for neutrinoless double-beta decay of Ge76 with GERDA, Nature 6 April 2017, Vol. 544 Issue No 7648, pag. 47-52, doi: 10.1038/nature27117
M. Agostini et al. (GERDA Collaboration), Results on double beta decay with emission of two neutrinos or Majorons in Ge76 from GERDA Phase I, Eur. Phys. J. C (2015) 75:416, doi: 10.1140/epjc/s10052-015-3627-y
K.-H. Ackermann et al. (GERDA Collaboration), The GERDA experiment for the search of neutrinoless double beta decay in Ge76, Eur. Phys. J. C (2013) 73:2330, doi: 10.1140/epjc/s10052-013-2330-0