Obok fotonów („cząstek światła”) neutrina są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami elementarnymi we Wszechświecie. Dziś wiemy, że nie posiadają one ładunku oraz są bardzo lekkie, choć początkowo zakładano, że podobnie jak fotony, są one bezmasowe. To, że neutrina muszą mieć jednak masę wynika z faktu, że obserwuje się ich oscylacje. Za potwierdzenie występowania tego procesu przyznano w 2015 r. Nagrodę Nobla z fizyki. Oscylacje neutrin polegają na tym, że neutrina jednego typu, np. elektronowe, mogą zamienić się w inny typ, mionowe lub taonowe.

Neutralność elektryczna oraz mała masa neutrin powoduje, że bardzo rzadko oddziałują one z innymi cząstkami i dlatego niezwykle trudno je wykryć. Dla przykładu, od występującego w środowisku naturalnym promieniowania alfa można się osłonić zwykłą kartką papieru. Od przenikliwego promieniowania gamma ochroni nas warstwa ołowiu o grubości kilku centymetrów. Aby efektywnie zatrzymać neutrina musielibyśmy posiadać osłonę ołowianą o grubości roku świetlnego (dystans jaki światło pokonuje w ciągu roku). Z jednej strony niezwykle słabe oddziaływania neutrin powodują ogromne trudności w ich detekcji, z drugiej strony umożliwiają badania np. wewnętrznej struktury Słońca (materia słoneczna jest dla neutrin przeźroczysta), w tym procesów, w których produkowana jest energia słoneczna. Energia słoneczna powstaje w reakcji fuzji jądrowej, w której wodór zamieniany jest w hel. Rekcja ta zachodzić może na dwa sposoby: w tzw. cyklu PP (w którym produkowane jest 99 % energii słonecznej) oraz w tzw. cyklu CNO, gdzie węgiel, azot i tlen odgrywają rolę swego rodzaju katalizatora. W wyniku bezpośredniego pomiaru strumieni neutrin słonecznych typu pp, ⁷Be i ⁸B detektorem BOREXINO, potwierdziliśmy wcześniej doświadczalnie występowanie cyklu PP, co zostało opisane przez nas w prestiżowym czasopiśmie Nature (Nature 512 (2014) 383). Natomiast najnowsze dane eksperymentalne wskazują jednoznacznie na rejestrację neutrin z cyklu CNO, co jest pierwszym eksperymentalnym potwierdzeniem istnienia tego źródła energii, o czym również pisaliśmy w Nature (Nature 587 (2020) 577).

Najważniejszą i najbardziej zadziwiającą tezę na temat neutrin wysunął jednak w latach trzydziestych XX wieku włoski fizyk Ettore Majorana, który twierdził, że w przeciwieństwie do wszystkich innych cząstek elementarnych, neutrino może być swoją własną antycząstką. Byłoby tak gdyby zachodził tzw. podwójny bezneutrinowy rozpad beta (0vββ). Procesu tego poszukujemy m.in. w eksperymencie LEGEND realizowanym w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech. Rejestracja rozpadu 0vββ będzie równoznaczna z odkryciem nowej cząstki elementarnej – neutrina Majorany. Tego typu odkrycie byłoby co najmniej tak doniosłe jak odkrycie bozonu Higgsa, za które również przyznano w ostatnich latach Nagrodę Nobla.

Innym niezwykle ekscytującym problemem jest budowa Wszechświata. Szereg obserwacji astronomicznych wskazuje na to, iż gwiazdy w galaktykach oraz gromady galaktyk zanurzone są w „morzu” nieświecącej materii posiadającej masę co najmniej dziesięć razy większą niż masa materii, którą widzimy. Cząstki ciemnej materii określa się wspólnym mianem „słabo oddziałujących cząstek masywnych” (Weakly Interacting Massie Particles – WIMPs). Mimo, iż pośrednio jej istnienie jest dość dobrze udokumentowane, jej natura (sposób oddziaływania, masa tych cząstek itp.) ciągle nie jest znana. Teoria mówi nam, że możliwa powinna być bezpośrednia rejestracja cząstek ciemnej materii poprzez ich zderzenia ze „zwykłymi” jądrami atomowymi. Ze względu na to, że WIMP-y nie mają ładunku, podobnie jak neutrina, bardzo trudno je zaobserwować, ale ich odkrycie miałoby ogromne znaczenie dla współczesnej fizyki.

Możliwości rejestracji podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta oraz WIMP-ów ograniczane są obecnością naturalnej promieniotwórczości (stanowiącej tzw. tło), która może imitować poszukiwany sygnał. Aby ją wyeliminować elementy oraz materiały wykorzystywane do budowy detektorów muszą być wolne od izotopów promieniotwórczych. Przykładowo, zwykła woda mineralna zawiera ich pewną niewielką ilość (podobnie jak inne materiały). Aby można ją było wykorzystać do budowy detektora ciemnej materii ta resztkowa promieniotwórczość musiałaby być dodatkowo zredukowana o ponad miliard razy, praktycznie do zera. Ponadto, aby zapewnić warunki umożliwiające dokonanie precyzyjnych obserwacji i wyeliminować wpływ promieniowania kosmicznego (które również stanowi niepożądane tło), badania muszą być prowadzone są w głębokich laboratoriach podziemnych. W naszym przypadku jest to laboratorium w Gran Sasso we Włoszech. Jak pokazano na rys. 1, składa się ono z trzech wielkich hal, w których realizowane były m.in. eksperymenty BOREXINO (badania neutrin słonecznych) i GERDA (poszukiwania rozpadu 0vββ) oraz realizowany jest eksperyment LEGEND (poszukiwania rozpadu 0vββ) i DARKSIDE (poszukiwanie ciemnej materii). We wszystkich tych projektach bierze udział zespól z Instytutu Fizyki UJ, pracujący pod kierunkiem prof. Zuzla. 

Jak wspomniano wyżej, jest niezwykle ważne, aby materiały detektorów podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta oraz WIMP-ów  zawierały jak najmniej (praktycznie w ogóle) naturalnych izotopów promieniotwórczych. Tym zagadnieniem zajmujemy się od wielu lat budując m.in. ultra-czułe detektory pozwalające, poprzez rejestrację śladowych ilości izotopów promieniotwórczych, na wyselekcjonowanie odpowiednio radio-czystych materiałów. Zdjęcie takiego detektora pokazane jest na rys. 2. Został on zainstalowany w laboratorium podziemnym w Canfranc w Hiszpanii.

Badania prowadzone przez zespół prof. Zuzla finansowane są m.in. przez Narodowe Centrum Nauki, Ministerstwo Edukacji i Nauki oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Wyniki prowadzonych prac można będzie także wykorzystać w obszarach życia codziennego takich jak: elektronika (eliminacja tzw. „soft errors”), medycyna (podniesienie sprawności urządzeń takich jak PET) czy ochronie radiologicznej.

Grzegorz Zuzel

Instytut Fizyki im. M. Smoluchowskiego Uniwersytetu Jagiellońskiego