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L'esperimento GERDA, proposto nel 2004 per essere installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ha come scopo principale lo studio del decadimento doppio-beta del 76Ge, un isotopo del Germanio.
Il Germanio è un solido semiconduttore di grande radiopurezza (ovvero il contenuto di elementi radioattivi di origine naturale, come uranio, torio, potassio, etc... è molto minore rispetto ad altri materiali) con cui si possono fabbricare rivelatori di particelle di grande sensibilità, precisione e praticità d'uso. Per quanto riguarda la ricerca del decadimento doppio-beta del 76Ge, i rivelatori a Germanio, detti anche HPGe (High-Purity Germanium detectors), sono la scelta ideale in quanto costituiscono allo stesso tempo la sorgente del decadimento e il rivelatore.
Il decadimento doppio beta è infatti un processo spontaneo che e' stato osservato per alcuni isotopi (76Ge, 100Mo, ecc...) in cui un nucleo di 76Ge si trasforma in un altro nucleo (il 76Se) emettendo due elettroni e due antineutrini. Come dice anche il nome, l'effetto è quello di due decadimenti beta che avvengono contemporaneamente. [Il decadimento beta è un processo spontaneo in cui un nucleo atomico si trasforma in un nucleo di un altro elemento emettendo un elettrone e un neutrino (per essere precisi un antineutrino elettronico)].
Di grade interesse per i fisici è il decadimento doppio-beta senza neutrini, ovvero un particolare tipo di decadimento doppio-beta in cui vengono emessi solo i due elettroni. Questo decadimento è previsto da alcune teorie ma non è stato ancora osservato con certezza. L'esperimento Heidelberg-Moscow, anch'esso ai LNGS, ha rivelato nel 2001 e poi confermato negli anni successivi, la presenza di un segnale che potrebbe essere interpretato come decadimento doppio-beta senza neutrini del 76Ge. La sua definitiva scoperta sarebbe un evento sensazionale per la fisica del neutrino: il neutrino infatti è una particella dalle proprietà ancora non completamente conosciute e il decadimento doppio-beta senza neutrini ci aiuterebbe a svelarne alcune. Inoltre, questa scoperta avrebbe implicazioni enormi per la cosmologia, la scienza che studia la nascita e l'evoluzione dell'Universo.
Il decadimento doppio-beta (con o senza neutrini), è un processo molto raro. La modalità di decadimento con produzione di neutrini, che è già stata osservata in alcuni isotopi, ha tempi caratteristici misurati che vanno da 1019 a 1023 anni, cioè molto di più dell'età dell'Universo (1010 anni). Per aumentare la probabilità di rivelare questo decadimento dobbiamo avere a disposizione quanto più germanio 76 possibile. Il germanio naturale (ossia presente in natura) contiene solo il 7.6% di 76Ge ma con una procedura detta arricchimento si può aumentare il contenuto di 76Ge fino all'86% (germanio arricchito). Per avere un'idea di quanto sia raro il decadimento doppio-beta senza neutrini, in un tipico rivelatore a germanio arricchito (che pesa circa 2.5 kg) ci aspettiamo non più di un decadimento per anno.
Si deve inoltre limitare al massimo la presenza di altre particelle o di altri processi come decadimenti radioattivi di altra natura, che possono interferire con le misure. Questo fa sì che tutti gli esperimenti sul decadimento doppio-beta debbano necessariamente svolgersi in laboratori sotterranei (dove il flusso di particelle cosmiche è molto ridotto).
Per funzionare bene come rivelatori di particelle, gli HPGe devono trovarsi ad una temperatura molto bassa e di solito vengono raffreddati con azoto liquido (l'azoto è un gas nobile presente anche nell'aria) che ha una temperatura di - 195°C. Recentemente, proprio ai LNGS, l'esperimento GENIUS-TF ha dimostrato che i rivelatori a germanio possono essere immersi direttamente in azoto liquido senza il classico contenitore di rame che viene generamente usato per questo tipo di rivelatori.
Anche nell'esperimento GERDA, i rivelatori a germanio saranno immersi direttamente in azoto liquido, contenuto in una pseudo-sfera di rame di circa 2 metri di diametro. Quest'ultima sarà a sua volta immersa in una vasca di acqua ultrapura di 3 metri di diametro. L'azoto, oltre a servire per raffreddare i rivelatori, fornirà uno schermo contro la radioattività naturale presente nell'ambiente e nei materiali che compongono l'esperimento. Questa radioattività, per quanto molto ridotta, può infatti disturbare le misure. Anche lo schermo di acqua è stato pensato per questo scopo. Al di sopra della struttura dell'esperimento sarà posizionata una camera pulita con un accesso diretto all'interno della vasca di azoto, per tutte le operazioni di preparazione e inserimento dei rivelatori.
Nella prima fase dell'esperimento GERDA verranno usati rivelatori a germanio già esistenti, arricchiti in 76Ge, per un totale di 20 kg. Nelle fasi successive si prevede di aumentare la massa di germanio arricchito producendo nuovi rivelatori fino a raggiungere un totale di 500 kg, necessari per investigare a fondo l'esistenza del decadimento doppio-beta senza neutrini, la natura del neutrino e le implicazioni per la cosmologia e per la fisica delle particelle in generale.
GERDA è frutto di una collaborazione internazionale tra Italia, Germania, Russia e Polonia.