Nuovo traguardo di GERDA sul doppio decadimento beta senza neutrini

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 R. Brugnera    29-01-2021     Leggi in PDF
Allestimento dei rivelatori a germanio all'interno della camera pulita di GERDA / Preparation of the germanium detectors in the GERDA clean room. Credit: Y. Suvorov, GERDA Collaboration.

L’esperimento GERDA (GERmanium Detector Array) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN ha pubblicato, in un recente numero di Physical Review Letters, i suoi risultati finali sulla ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini (0νββ), utilizzando l’isotopo 76Ge. Pur non avendo rivelato alcun segnale, GERDA ha ottenuto il più stringente limite inferiore al mondo sul tempo di dimezzamento del processo ricercato, 1.8·1026 anni, coincidente con la sensibilità sperimentale. Anche il livello di eventi di fondo nella regione del segnale, 5.2·10-4 conteggi/(keV·kg·anno), è il più basso mai raggiunto tra gli esperimenti dedicati a questa ricerca.

Il decadimento consiste nella simultanea trasformazione all’interno di un nucleo, 76Ge nel caso di GERDA, di due neutroni in due protoni e due elettroni.

È questo un processo non permesso dal Modello Standard. Infatti, esso viola la conservazione del numero leptonico totale di due unità: nello stato finale c’è l’apparizione dal nulla di due elettroni senza che siano accompagnati da due antineutrini dell’elettrone, come avviene nel più comune doppio decadimento beta con l’emissione di due neutrini. Per questa sua caratteristica questo decadimento fa da contraltare, nel settore dei leptoni, al decadimento del protone. Se osservato, chiarirebbe la natura di Majorana del neutrino: vale a dire il neutrino sarebbe l’antiparticella di sé stesso e fornirebbe delle preziose informazioni riguardanti la massa dei neutrini. Di più: molte teorie che cercano di spiegare la prevalenza di materia rispetto all’antimateria nell’universo attuale troverebbero aiuto dalla sua eventuale rivelazione. Per questi rilevanti motivi teorici la sua ricerca è da anni al centro di un vivacissimo sforzo sperimentale.

Il rivelatore GERDA si trova presso i LNGS sotto una copertura di roccia costituita dalla montagna sovrastante, e viene così protetto dai raggi cosmici. Nella configurazione finale sono stati usati 41 rivelatori a germanio arricchiti fino all’87% nell’isotopo 76Ge. Questi rivelatori sono fatti funzionare, senza il loro usuale incapsulamento, entro un criostato riempito di argon liquido ultrapuro. L’argon agisce sia come mezzo di raffreddamento che come schermatura contro gli eventi di fondo. Nell’argon liquido sono stati inseriti dei rivelatori di luce che possono indicare se un segnale nei rivelatori a germanio proviene dal fondo radioattivo naturale. Inoltre, lo studio del profilo temporale dei segnali provenienti dai rivelatori permette di separare ulteriormente gli eventi di fondo da quelli di segnale. Rivelatori e criostato sono a loro volta immersi entro una vasca d’acqua ultrapura che funge da ulteriore schermo contro fotoni, neutroni e muoni.

Gli straordinari risultati ottenuti dall’esperimento GERDA in termini di sensibilità e di livello di eventi di fondo sono stati possibili solo grazie al continuo sviluppo di nuovi rivelatori a germanio via via sempre più performanti e di tecniche di analisi dati che hanno sfruttato al meglio le potenzialità dell’apparato.

Arrivati a questo punto, qual è il passo successivo? La risposta è LEGEND, un esperimento che basandosi sulla filosofia di GERDA (rivelatori arricchiti immersi nudi entro un criostato riempito di argon liquido ultrapuro) porterà la sensibilità fino a 1028 anni, grazie all’impiego di 1 tonnellata di rivelatori a germanio, a una reiezione di fondo 50 volte migliore di quella di GERDA e a una presa dati che si prolungherà per almeno dieci anni. In attesa di questo “mostro”, già dalla fine del 2021 presso i LNGS partirà LEGEND-200, all’interno dell’infrastruttura di GERDA, in grado di migliorare di un fattore 10 il risultato ottenuto da GERDA.


A new milestone from GERDA in the search for neutrinoless double-beta decay

The GERmanium Detector Array (GERDA) experiment at the INFN Gran Sasso National Laboratory (LNGS), Italy, has reported its final result on the search for the neutrinoless double-beta (0νββ) decay of 76Ge in a recent issue of Physical Review Letters. No signal has been found, but the most stringent lower limit in the world for the half-life of 0νββ, 1.8·1026 years, was achieved. This value coincides with the expected value for the sensitivity of the experiment. The experiment has obtained another record for the rate of background events in the region of interest: 5.2·10-4 counts/(keV·kg·year), the lowest ever reached.

The process consists in the simultaneous transformation inside a nucleus, 76Ge for GERDA, of two neutrons into two protons and two electrons.

It is a process prohibited by the Standard Model. It violates the conservation of the total leptonic number by two units: in the final state two electrons appear without the presence of two electron antineutrinos as in the more common double-beta decay with the emission of two neutrinos. For this reason, the process stands on equal footing with baryon number violation, i.e. proton decay. Its detection would have profound implications: the Majorana nature of neutrinos, that is the identity of neutrinos and antineutrinos, the access to the neutrino mass scale and an important clue for understanding why there is so much more matter than antimatter in the Universe. For these important theoretical reasons, its research is at the center of a very lively experimental effort for years.

The GERDA experiment is placed at LNGS below a rock over-burden which effectively protects from the cosmic rays. In the final configuration 41 germanium detectors were used with a total mass of 44.2 kg and a 76Ge enrichment of 86-88%. These detectors were operated without their usual encapsulation in a cryostat of ultrapure liquid argon (LAr). The LAr works both as cooling as well as shielding against background events. The LAr was instrumented with light detectors which could indicate if a signal in the Ge detectors arose from radioactive background. Similar information can be gained from the time profile of the Ge detector signals. Detectors and cryostat are submerged into an ultrapure water tank as further shield against photons, neutrons and muons.

The exceptional experimental results obtained by GERDA were possible thanks to the continuous development of new germanium detectors of improving performances and of efficient data analysis techniques which highlight the resources of the apparatus.

What is now the following step? The answer is LEGEND, a new experiment, which, using the GERDA concept (enriched germanium detectors immersed naked into a cryostat filled with ultrapure liquid argon), will bring the sensitivity up to 1028 years thanks to the use of a 1 ton of germanium detectors, a background rejection 50 times higher than GERDA and a data taking which will last for at least 10 years. Waiting for this “monster”, already at the end of 2021 at the LNGS and in the GERDA infrastructure, LEGEND-200 will start the data taking with the aim to improve of a factor 10 the result obtained by GERDA.


Riccardo Brugnera – Professore associato presso l’Università degli Studi di Padova, la sua attività passata e presente è rivolta alla ricerca nel campo della fisica delle alte energie. Nel passato ha partecipato agli esperimenti N-Nbar2, ZEUS ed OPERA. Ora è spokesperson dell’esperimento GERDA e membro degli esperimenti LEGEND e JUNO.
Riccardo Brugnera is associate professor at the University of Padua, Italy. His scientific activity is and was dedicated to the field of high-energy physics. In the past, he participated in the following experiments: N-Nbar2, ZEUS and OPERA. Now he is spokesperson of the GERDA experiment and member of the LEGEND and JUNO experiments.