Kết quả chung cuộc từ việc đi tìm phân rã beta kép không neutrino của Nhóm Majorana

Trong hơn nửa thập kỷ, Nhóm hợp tác Majorana, một nhóm nghiên cứu gồm các nhà nghiên cứu từ nhiều trường đại học khác nhau trên thế giới, cố gắng quan sát phân rã kép beta kép không neutrino, một trong những hình thức hiếm nhất của phân rã phóng xạ. Điều này đã được Majorana Demonstrator, một máy dò đặt tại Phòng thí nghiệm dưới lòng đất Sanford ở Nam Dakota.

Thực nghiệm quy mô lớn này sử dụng 30 kg tinh thể germanium (Ge), cùng với các mô đun làm lạnh sâu và được bảo vệ bằng khiên chắn bằng chì đặt ngoài phòng thí nghiệm. Trong những kết quả cuối cùng của thí nghiệm, được xuất bản trong một bài báo xuất bản trên PRL, đã thiết lập những ràng buộc mới lên phân rã beta kép không neutrino (0νββ) của ⁷⁶Ge ¹.

“Mục tiêu cơ bản của thí nghiệm dùng tới 30 kg tinh thể germanium này là thiết lập tính khả thi của một thực nghiệm lớn hơn sử dụng chính các máy dò germanium (Ge) cho phân rã beta kép không neutrino (0νββ)”, Steve Elliott, một trong những nhà khoa học tham gia vào nghiên cứu, nói với Phys.org. “Công trình trước đây đã thể hiện sự khả thi của việc sử dụng các máy dò Ge cho nghiên cứu. Dự án này do DOE và NSF tài trợ sau khi Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển trực tiếp (LDRD) thiết lập bằng việc sử dụng tài trợ từ nhiều phòng thí nghiệm quốc gia”.

Phân rã beta kép không neutrino (0νββ) là một hình thức dự đoán của phân rã phóng xạ mà nếu tồn tại, có thể sẽ đòi hỏi các đặc tính đặc biệt của các neutrino, bao gồm có khối lượng và bản chất hạt Majorana. Trong khi người ta xác định là các hạt neutrino có khối lượng, quan sát thực nghiệm của phân rã này có thể cuối cùng chứng tỏ rằng chúng là các hạt Majorana, nghĩa là chúng cũng tương tác với các phản hạt của chúng.

“Nếu các hạt neutrino là hạt Majorana, nó cũng dẫn đến các lý thuyết là có thể di chuyển sự vượt trội của vật chất trước phản vật chất trong vũ trụ – một điều kiện cần thiết cho sự sống mà chúng ta biết”, Elliott giải thích. “Phân rã này, nếu nó tồn tại, có thể vô cùng hiếm với thời gian bán rã của chúng dài hơn 10²⁶ năm (gấp 10¹⁶ lần so với tuổi vũ trụ). Quá hiếm xảy ra, những phân rã khác, từ các tạp chất vết trên khiên che chắn hay tia vũ trụ, cũng đều ghi dấu năng lượng trên Ge và có thể che mất tín hiệu này”.

Majorana Demonstrator, thực nghiệm được Elliott và các thành viên của nhóm hợp tác thiết lập sử dụng để nghiên cứu về phân rã 0νββ, cần một lượng tinh thể Ge lớn. Các tinh thể đó, đặt tại Phòng thí nghiệm dưới lòng đất Sanford, vận hành như các máy dò phóng xạ (ví dụ các thiết bị có thể dò được các hạt phát xạ trong suốt quá trình phân rã).

“Vật chất Ge cho các máy dò này được làm giàu trong đồng vị 76 đến 88%, trong khi Ge đầy rẫy trong tự nhiên chỉ đạt mức 7,75%”, Elliott nói. “Các máy dò này đều được bảo vệ bằng một khiên chắn phóng xạ siêu thấp và chôn sâu dưới lòng đất để giảm thiểu các nguồn năng lượng tích tụ có thể làm phát sinh nền tín hiệu từ 0νββ”.

Các kết quả cuối cùng của Majorana Demonstrator, được xuất bản trên PRL, đưa cộng đồng vật lý tiến gần hơn đến khả năng trả lời một số câu hỏi cốt lõi về vũ trụ và vật chất hình thành nó. Trong khi chưa dò được phân rã 0νββ, nỗ lực của nhóm hợp tác Majorana thực hiện khả năng có thể việc sử dụng cách tiếp cận của mình trên một quy mô lớn hơn để tìm kiếm hình thức khó nắm bắt của phân rã phóng xạ.

“Majorana Demonstrator chứng tỏ là một dãy thiết bị dò Ge với độ phân giải năng lượng hàng đầu thế giới có thể được thiết kế và điều hành trong một môi trường phóng xạ đủ thấp để chứng minh khả năng cấu trúc một thực nghiệm lớn hơn”, Elliott nói. “Ngay cả thực nghiệm nhỏ này cũng có thể cạnh tranh với những thực nghiệm 0νββ lớn hơn do nền phóng xạ thấp và độ phân giải năng lượng vô cùng xuất sắc”.

Nhóm hợp tác Majorana giờ hợp lực với nhóm nghiên cứu khác, Nhóm hợp tác GERDA, nơi xây dựng một thực nghiệm dò tương tự ở Phòng thí nghiệm quốc gia del Gran Sasso (LNGS) ở Italy. Cùng với nhau, họ xây dựng thực nghiệm LEGEND-200, một nỗ lực chung hướng đến việc dò phân rã 0νββ mà họ mới vừa thu thập dữ liệu ở Italy.

“Chúng tôi đang đề xuất một thực nghiệm với 1.000 kg Ge và đang trong quá trình xét duyệt của Bộ Năng lượng Mỹ”, Elliott cho biết thêm.

Nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-03-results-majorana-collaboration-neutrinoless-double-beta.html

https://interactions.org/press-release/majorana-collaboration-discuss-final-results-announce-new

https://interactions.org/press-release/majorana-collaboration-discuss-final-results-announce-new

1. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.062501