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

  Research Activity

The results of neutrino oscillation experiments have proved that neutrinos are massive.
However, neutrino oscillations are sensitive to the squared-mass differences of the mass eigenstates.
So many problems remain unsolved: the absolute energy scale of the neutrino masses, their nature (Dirac or Majorana particles).
The neutrinoless double beta decay can give an answer to both the questions.
While the double beta decay with two neutrinos emission, (N(A,Z) --> N(A,Z+2) + 2e- + 2 electron antineutrinos), is permitted by the Standard Model, the neutrinoless double beta decay is forbidden in the Standard Model: in this process lepton number is violated by two units.
Its observation could be explained through the fact that the neutrino is a Majorana particle (i.e. neutrino and antineutrino are the same particle). The measured half-life would give an information about the Majorana mass of the electron neutrino.
The GERDA (GERmanium Detector Array) is looking for the neutrinoless double beta decay using the isotope Ge76. The detector is located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Being an extremely rare decay, it is absolutely necessary to avoid and eliminate all possible events which could mimic and cover the signal (background events). This is the reason why the detector was built below the Gran Sasso mountain (the mountain protects the detector from the cosmic rays) and why it has its very peculiar layout. In GERDA the high-purity germanium detectors made from isotopically modified material with Ge76 enriched to ~86% are mounted naked inside a cryostat filled with ultra-pure liquid argon. To further shield the detectors the cryostat is inside a large water tank filled ultra-pure water.
In its first phase GERDA succeded to reject a discovery claim made by a part of the Heidelberg-Moscow collaboration. In its present second phase GERDA has obtained the lowest level of background events ever reached, ~10ˆ^-3 events /(keV kg yr), around the Q-value of the neutrinoless double beta decay.
If GERDA will be able to collect an exposure of 100 kg yr and to maintain such very low background level and in case of no signal, it will put a lower limit to the half-life of the neutrinoless double beta decay of Ge76 of: 2*10^{^26} yr (90% confidence level).
If this process is due to the exchange of massive Majorana neutrinos, the experiment will be sensitive to effective Majorana masses from 0.09 to 0.29 eV.
After the completion of the second phase, the experimental setup of GERDA will be used to develop the experimental techniques necessary for a future big experiment able to cover the entire region of the so called inverted mass hierarchy (i.e. to go down to 10 meV for the effective
Majorana mass).

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

Some recent publications:
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