Hajsza egy feltételezett részecskefizikai folyamat után
A részecskefizika teli van megoldatlan kérdésekkel, ezek egyike, hogy vajon létezik-e "neutrínó nélküli kettős béta-bomlás". Ennek megértéséhez először is a béta-bomlás olyan folyamatokat takar (több fajtája is van), melyben például egy neutron protonná alakul, miközben keletkezik egy elektron és egy anti-elektronneutrínó:
A kettős béta-bomlás olyan folyamat, amikor egy atommagban egyidejűleg két béta-bomlás zajlik le, például két neutron alakul át két protonná, miközben két elektron és két anti-elektronneutrínó is keletkezik:
A kettős béta-bomlás eleve ritka jelenség, csak néhány speciális atommagban zajlik, amikor is a "sima" béta-bomlás energetikai okokból nem lehetséges, vagy igen kis valószínűségű.
Ettore Majorana olasz elméleti fizikus 1937-ben felvetette, hogy a neutrínóknak nincs antirészecskéjük, más szóval önmaguk antirészecskéi, tehát egy neutrínó és az ő antineutrínója sehogy sem különböztethető meg (az efféle tulajdonságú részecskéket Majorana-részecskék névvel illetjük ). Ezidáig nem sikerült igazolni egyetlen Majorana-részecske létezését sem, vagyis úgy tűnik, hogy minden részecskének van antirészecskéje. Wendell Furry 1939-ben kimutatta, hogy ha a neutrínók Majorana-részecskék, akkor a kettős béta-bomlás beköveztkezhet neutrínók keletkezése nélkül is (bár jóval kisebb valószínűséggel, mint a 2 neutrínót is termelő változat).
Sajnos már a neutrínós kettős béta-bomlások felezési ideje is igen nagy, $10^{18}\unicode{x2013} 10^{24}\ \mathrm{év}$ nagyságrendű, vagyis még egy makroszkopikus mintában is igen ritkán következik be, emiatt nagyon nehéz észrevenni a kettős béta-bomlásokat az elkerülhetetlenül jelen lévő véletlenszerű háttérzajban (hiszen a detektor körüli tárgyakban is vannak nyomokban radioaktív anyagok, meg a világűrből is bombáznak minket kozmikus eredetű részecskék). Vagyis kettős béta-bomlás megfigyeléséhez igen jól el kell szigetelni a detektort a környezetből jövő bármiféle radioaktív sugárzástól, hogy csak a kettős béta-bomló mintából kilépő sugárzások adjanak a detektorban eseményt.
Ólomfalat köré!
A radioaktív sugárzások elszigetelésének bajnoka az ólomfal. Olcsó, jól megmunkálható, és még az igen nagy áthatolóképességű gamma-sugárzást is hatékonyan elnyeli. Csakhogy a természetben megtalálható ólom sok izotóp keveréke, és vannak köztük radioaktívak is, lásd a radioaktív bomlási sorokat. Ennek háttere az, hogy az ércekben legtöbbször nemcsak egyfajta fém található, hanem fémek sokasága, például az ólomércnek van urántartalma is. Márpedig az urán bomlási sorában vannak radioaktív ólomizotópok. Ha az ércből nyert ólomban igen kis mennyiségben lenne egy jó nagy felezési idejű radioaktív ólomizotóp, az nem lenne zavaró, hiszen kevés van belőle, de azok is nagyon ritkán bomlanak, így a kísérlet alatt lényegében nem lenne esély egy bomlásra (ilyen ólomizotóp egyébként nincs is a bomlási sorokban, csak a tisztán látás kedvéért vettük számba az eshetőséget; a \(^{205}\mathrm{Pb}\) ugyan 50 ezer év felezési idejű, de nem szerepel egyik bomláso sorban sem). Szintén nem zavaró az árnyékolás során, ha a radioaktív ólomizotóp felezési ideje nagyon rövid (mint a néhány perces illetve néhány órás felezési idejű \(^{209}\mathrm{Pb}\), \(^{211}\mathrm{Pb}\), \(^{212}\mathrm{Pb}\) és \(^{214}\mathrm{Pb}\) ólomizotópok). Ezek ugyanis lényegében a feldolgozás, szállítás során már sokszor lefeleződnek, így nem marad belőlük a kísérlet idejére ("lecsengenek"). Így végül marad egy "veszélyes" szereplő, a 22 év felezési idejű \({}^{210}\mathrm{Pb}\). Ez a felezési idő túl hosszú, hogy lecsengjen a gyártás során, de ahhoz elég rövid, azaz elég gyorsan bomló az anyag, hogy kis mennyiség esetén is adhat bomlásokat a kísérlet során, márpedig mi most igen ritka eseményeket keresünk, ezért már kevés ilyen bomlás is zavaró. Ráadásul a\({}^{210}\mathrm{Pb}\) pont béta-bomló, vagyis szintén elektront sugároz ki, mint az általunk keresett ritka folyamat, tehát a zajszűrőnek telepített ólomfal miatta “fals jeleket” szolgáltatna a detektornak. De hogyan lehet egy ilyen rövid felezési idejű izotóp a természetben, azaz miért nem bomlott még el az összes a Föld több milliárd éves története során? A Föld születésekor megvolt \({}^{210}\mathrm{Pb}\) már természetesen mind rég elbomlott, de az urán-rádium bomlási sorban a mai napig folyamatosan keletkezik, hiszen ennek a sorozatnak a kiinduló nuklidja a \(^{238}\mathrm{U}\), aminek felezési ideje 4,5 milliárd év, tehát a Föld keletkezése óta még csak a fele bomlot el). Hiába csak kis mennyiségben van jelen, amikor az ércekből kinyerik az ólmot, a különféle ólomizotópok mindegyike (összekeveredve) bekerül a fémólomba. Azonban ha az ércből kinyert ólmot hosszú ideig (pár évezreden át) tárolnánk, akkor a benne lévő \({}^{210}\mathrm{Pb}\) gyakorlatilag teljesen elbomlana, miközben az ércben zajló (urán-rádium sorozatos) bomlások révén újabb \({}^{210}\mathrm{Pb}\) már nem tudna belekerülni. Például $2000\ \mathrm{év}$ alatt nagyjából 100-szor megfeleződik a mennyisége, ami
\[2^{100}\approx 10^{30}\]
alapján azt jelenti, hogy $350\ \mathrm{tonnányi}$ tiszta \({}^{210}\mathrm{Pb}\) izotópú ólomból $2000\ \mathrm{év}$ múlva már csak egyetlen atom maradna meg... De a \({}^{210}\mathrm{Pb}\) eleve csak nyomokban van jelen az ólomban.
Honnan lehetne hozzájutni több ezer éves, "kivénhedt" ólomhoz? Régi épületek tetőszerkezetében az esővízelvezetésre használtak ólomlemezeket, valamint vízvezeték csőnek sokszor használtak ólmot, mert könnyú megolvasztani is és kalapálással alakítani is, ugyanakkor kevéssé korrodálódik. A Földközi-tenger medencéjében már az ókorban is kereskedtek nagy mennyiségben ólomtömbökkel, hajókon szállítva azt. Mivel viharos időjárás akkoriban is előfordult, így a hajók egy része elsüllyedt, és amíg fel nem fedezuik, addig a tenger fenekén háborítatlanul pihen a rakományával együtt.
A nagy fogás
1988-ban egy amatőr búvár Szardínia partjainál felfedezte egy $36\ \mathrm{m}$ hosszú ókori hajó roncsát, ami i.e. 80 és 50 között süllyedt el.
A hajó rakománya közt volt 1000 db $33\ \mathrm{kg}$‑os ólomtömb, amit a többi tárggyal együtt kiemeltek a szardiniai Cagliari Nemzeti Régészeti Múzeum számára:
A tömbökön gyönyörű szépen megmaradt feliratok is voltak:
Végül az alkudozás eredménye az lett, hogy a 270 legrosszabb állapotú ólomtömböt (a feliratok kivágása után) az Olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet számára eladták, akik aztán beolvasztották sugárzásárnyékolónak a CUORE kísérlethez. Ebben középen $740\ \mathrm{kg}$ tellúr-dioxid található, amiben a tellúratomok $34\%$‑a \({}^{130}\mathrm{Te}\), ami kettős béta‑bomló, így esetleg képes lehet neutrínó nélküli kettős béta‑bomlásra is, csak hát igen‑igen ritkán.
Az első évek során nem sikerült bizonyítékot találni a \({}^{130}\mathrm{Te}\) neutrínó nélküli kettős béta-bomlására. Pedig láthatóan mindent megtettek a siker érdekében.