Si restringe il campo di ricerca del neutrino di Majorana

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Esiste? Non esiste? E se esiste, com’è fatto? Domande alle quali, al momento, ancora non abbiamo trovato una risposta. Ma, a piccoli passi, con tanta pazienza, sembra che finalmente procediamo nella direzione giusta. L’oggetto delle questioni è un’entità più che ineffabile: i fisici la chiamano neutrino di Majorana.

ettore majorana

Una particella teorizzata dal fisico catanese, mai osservata sperimentalmente e che – qualora esistesse per davvero – dovrebbe coincidere con la propria antiparticella. Il motivo di una ricerca così affannosa è presto detto: individuare e caratterizzare il neutrino di Majorana aiuterebbe a far luce su uno dei più grandi misteri della fisica moderna, ovvero la cosiddetta asimmetria tra materia e antimateria – il fatto che nell’Universo si osserva più materia che antimateria (il che è un bene per noialtri, perché le due entità, se fossero presenti in pari quantità, si annichilerebbero completamente a vicenda).

È per questo motivo che diversi esperimenti in tutto il mondo – Gerda, Cuore, Nemo-3 e tanti altri – continuano a bombardare isotopi di germanio, tellurio e altri elementi in attesa di osservare un evento di decadimento direttamente riconducibile all’esistenza del neutrino. Al momento, i risultati non sono in alcun modo conclusivi: gli scienziati sono riusciti a migliorare significativamente potenza, sensibilità e precisione degli apparati sperimentali ma del neutrino ancora nessuna traccia. E non c’è modo, almeno finora, di capire se l’evento è talmente raro e sfuggente da avere poche speranze di osservarlo in tempo ragionevole e con la tecnologia che abbiamo a disposizione o se, più semplicemente, stiamo cercando qualcosa che non esiste.

Ripasso di fisica. Stando a quello che sappiamo finora, tutte le particelle elementari, e le loro mutue interazioni, sono descritte e regolate dalle leggi del cosiddetto Modello standard, una teoria che ha superato con successo innumerevoli prove sperimentali. Un modello corretto, dunque, ma incompleto, nel senso che le sue equazioni non riescono a giustificare l’asimmetria tra materia e antimateria. Una possibile spiegazione del fenomeno, fornita da diverse estensioni del Modello Standard, prevede che i neutrini siano particelle di Majorana, ovvero che coincidano con la propria antiparticella. In altre parole, che neutrino e antineutrino siano la stessa cosa. Excursus nell’excursus: i neutrini sono entità con massa molto piccola – fino a non molto tempo fa pensavamo addirittura che non avessero massa – e carica elettrica neutra; per di più, interagiscono molto poco con la materia, ragion per cui sono estremamente difficili da studiare e individuare. Cionondimeno sono di estremo interesse per i fisici, dal momento che giocano un ruolo centrale nel funzionamento delle stelle, nell’esplosione delle supernovae e nella formazione degli elementi durante il Big Bang.

CUORE experiment

Se cercare i neutrini è già di per sé così difficile, capire se sono o meno una particella di Majorana lo è ancora di più. Per provare a osservarlo, i fisici vanno a caccia di un particolare tipo di decadimento radioattivo, il cosiddetto decadimento β doppio senza neutrini (neutrinoless double-β decay, o 0νββ). Si tratta di una reazione in cui due neutroni all’interno di un nucleo atomico decadono simultaneamente in due protoni e due elettroni senza rilasciare alcun neutrino: la misura dell’energia dei due elettroni, spiegano all’Infn, costituisce la firma principale del β doppio senza neutrini. In altre parole, osservare il decadimento implicherebbe, indirettamente, l’esistenza del neutrino di Majorana.

“L’osservazione di un eventuale neutrino di Majorana”, ci aveva spiegato Antonio Polosa, fisico teorico della Sapienza università di Roma, “sarebbe di importanza capitale per la fisica moderna. Da quando infatti si è scoperto che il neutrino è una particella massiva, e non senza massa come ritenuto in precedenza, il fatto che il neutrino possa coincidere con la propria antiparticella gioca un ruolo centrale nella teoria della supersimmetria, una teoria fisica secondo la quale ogni bosone avrebbe un corrispondente fermione simmetrico e viceversa (bosoni e fermioni sono le due classi in cui sono divise tutte le particelle elementari in base al valore dello spin).

L’ultima notizia, in ordine di tempo, è che gli scienziati dell’esperimento Gerda (GERmanium Detector Array), in corso ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Lngs-Infn), che si occupano per l’appunto della ricerca del neutrino di Majorana, sono appena riusciti a raggiungere un nuovo record di sensibilità del rivelatore, il che potrebbe auspicabilmente rendere più vicina l’individuazione della particella. I dettagli della ricerca sono stati pubblicati su Science. Gerda è un esperimento allestito sotto le migliaia di metri cubi di roccia del Gran Sasso, che fungono da schermo naturale per i raggi cosmici, le particelle energetiche provenienti dallo Spazio che creerebbero disturbi al rivelatore.

“Quando si cercano eventi rarissimi come il decadimento senza neutrini”, ci racconta Riccardo Brugnera, ricercatore Infn, professore all’Università di Padova e spokeperson di Gerda, “il nemico è il rumore di fondo, ovvero tutti i segnali esterni che possono coprire quello cercato. Per abbattere il più possibile il rumore di fondo si combinano tre approcci: il posizionamento del rivelatore in un luogo il più possibile schermato dai raggi cosmici [sotto la roccia del Gran Sasso, in questo caso, nda], l’uso di un materiale più puro possibile e un insieme di tecniche di analisi statistica che filtrano matematicamente il rumore”.

neutrino do majorana

L’esperimento è costituito da diversi cilindri di un isotopo del germanio (l’isotopo 76, l’unico che almeno teoricamente potrebbe generare un decadimento doppio beta) immersi in un criostato che contiene 63 metri cubi di argon liquido tenuto a una temperatura di -190 °C. Il criostato è a sua volta immerso in un contenitore riempito con 590 metri cubi di acqua ultrapura: l’argon e l’acqua sono privi di contaminazioni e agiscono come ulteriori schermi contro la radiazione naturale proveniente dall’ambiente esterno. Due anni fa i responsabili di Gerda erano riusciti a minimizzare il rumore di fondo: l’esperimento, al momento attuale, è quello con minor rumore di fondo tra tutti quelli che cercano di vedere il decadimento senza neutrini. “Con l’abbattimento degli eventi di fondo ai livelli che siamo riusciti a raggiungere”, dice ancora Brugnera, “Gerda si è posto nelle condizioni ottimali per poter rivelare il decadimento senza neutrini. Oggi abbiamo fatto un ulteriore passo avanti, migliorando significativamente la sensibilità dello strumento. Siamo arrivati a una sensibilità per il tempo di dimezzamento del germanio (cioè il tempo che deve trascorrere affinché la metà dei nuclei dia luogo al decadimento) di oltre 1026 anni, di gran lunga superiore all’età dell’Universo”.

Di per sé, sapere che per osservare un decadimento senza neutrini bisogna aspettare un’età superiore a quella dell’Universo sembrerebbe una notizia non troppo confortante. Ma non è così: “Il fatto che siamo riusciti a raggiungere questa sensibilità”, conclude Brugnera, “ci aiuterà a progettare esperimenti più efficienti. Dal momento che l’evento che cerchiamo è così raro, per aumentare le probabilità di osservarlo non resta altro da fare che aumentare la massa del germanio: più atomi ci sono, più è probabile che avvenga il decadimento. E infatti Gerda terminerà la sua presa dati alla fine di quest’anno e sarà sostituito da un nuovo apparato, Legend-200, basato sugli stessi principi ma con un numero 5 volte superiore di rivelatori e un fondo previsto 5 volte inferiore. Legend-200 migliorerà così di un fattore 10 la sensibilità record di Gerda”.

Ma il cerchio si stà stringendo

Si stringe il cerchio intorno alla più misteriosa delle particelle, il neutrino che è nello stesso tempo anche il suo opposto nell’antimateria la cui esistenza era stata prevista negli anni ’30 dal fisico Ettore Majorana. La più grande quantità di indizi mai raccolta su questa particella bizzarra arriva dall’esperimento internazionale Cuore (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) condotto in Italia, nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).

La collaborazione scientifica internazionale che conduce l’esperimento CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha recentemente reso pubblici gli ultimi risultati sperimentali, che rappresentano più di due anni di presa dati, da aprile 2017 a luglio 2019. Questo nuovo studio, che corrisponde a un incremento significativo dei dati raccolti, rispetto a quelli pubblicati nell’ottobre 2017, fornisce un limite ancora più stringente sull’esistenza di un processo rarissimo, che proverebbe che il neutrino è una particella di Majorana, coincide cioè con la sua antiparticella. Questa singolare proprietà è di fondamentale importanza in quanto permette di spiegare i meccanismi alla base dei processi di creazione della materia, gli stessi che hanno caratterizzato i primi istanti della formazione dell’universo.

“Abbiamo più che quadruplicato i dati raccolti e siamo tra gli esperimenti più sensibili al mondo nella corsa alla scoperta di questo decadimento raro” sottolinea Oliviero Cremonesi, ricercatore dell’INFN di Milano Bicocca a capo della collaborazione CUORE.

L’esperimento CUORE è stato progettato per scoprire il rarissimo processo chiamato doppio decadimento beta senza emissione di neutrini, teorizzato ma mai osservato, in cui non vengono creati antineutrini, al contrario di quanto previsto dalle attuali teorie. Essi, infatti, si annichilano l’un l’altro durante il decadimento, dimostrando in questo modo che il neutrino è l’antiparticella di se stesso, come il famoso fisico italiano Ettore Majorana ipotizzò nel 1937. Riuscire a osservare questo decadimento confermerebbe quindi che, nel caso del neutrino, materia e antimateria coincidono. Questo fatto avrebbe profonde implicazioni nel fornire una spiegazione dell’asimmetria tra materia e antimateria, che sappiamo caratterizzare il nostro universo, e porterebbe altresì alla comprensione della natura e delle proprietà dei neutrini, particelle molto abbondanti nell’universo ma anche molto sfuggenti. Dotati di massa piccolissima e privi di carica elettrica, i neutrini sono, infatti, capaci di attraversare per lo più indisturbati la materia, rendendo difficile la loro osservazione.

cuore experiment

La scoperta del decadimento senza emissione di neutrini proverebbe, dunque, che il neutrino e l’antineutrino sono in realtà la stessa particella, e che differiscono solo per una proprietà, chiamata elicità, che assume per essi valori speculari. L’elicità di una particella può essere vista come l’analogo, per una persona, dell’essere destrorso o sinistrorso. Il neutrino di Majorana, allo stesso modo di una persona ambidestra, può mostrare entrambi i modi di essere.

Il rivelatore CUORE è formato da 988 cristalli cubici di un composto naturale altamente purificato, il biossido di tellurio, alloggiati in 19 strutture verticali di rame, chiamate torri. Nonostante il segnale distintivo del doppio decadimento beta senza neutrini non sia stato ancora evidenziato, i nuovi dati di CUORE forniscono un limite due volte migliore rispetto a quello precedentemente pubblicato sulla frequenza di tale processo nei nuclei di tellurio-130, contenuto nei cristalli di CUORE. Questo risultato a sua volta può essere interpretato come un margine più stretto sul valore della massa del neutrino di Majorana, che sarebbe inferiore a un decimo di elettronvolt, ovvero circa 5 milioni di volte più leggera di quella di un elettrone.

I nuovi risultati di CUORE sono stati ottenuti con l’uso di un nuovo e sofisticato algoritmo, che permette di amplificare i segnali dei rivelatori e allo stesso tempo rigettare il fastidioso rumore di fondo.

L’algoritmo migliora infatti l’identificazione di segnali spuri, causati da piccoli depositi di energia nei cristalli, indotti da altri processi già noti. Questo permette di avere un’evidenza più chiara del doppio decadimento beta senza neutrini. Inoltre, il nuovo algoritmo permetterà a CUORE, con la sua massa di quasi 1 tonnellata di rivelatori, di mettersi alla ricerca di particelle di materia oscura mai osservate finora, chiamate WIMP, ovvero Weakly Interacting Massive Particles (particelle massive che interagiscono debolmente), sfruttando la caratteristica periodicità del segnale atteso.

Gli ultimi risultati di CUORE rappresentano il più grande insieme di dati mai acquisiti da un esperimento di fisica delle particelle basato su rivelatori a stato solido, che usa cristalli invece dei più comuni liquidi, per la ricerca del doppio decadimento beta. È il primo esempio di rivelatore a stato solido caratterizzato da una massa di circa una tonnellata. I rivelatori a stato solido hanno la capacità di misurare accuratamente l’energia dei decadimenti; tuttavia è molto più difficile, dal punto di vista tecnico, realizzare un rivelatore a stato solido di massa elevata, rispetto a uno basato su un liquido.

“Siamo entusiasti del nostro rivelatore che al momento funziona con un’efficienza prossima al 90%” sottolinea Carlo Bucci, ricercatore dei Laboratori del Gran Sasso, coordinatore tecnico di CUORE e responsabile italiano dell’esperimento. “Gli sforzi fatti negli ultimi due anni per ottimizzare il funzionamento del rivelatore hanno finalmente dato i loro frutti. Per riscaldare e raffreddare nuovamente il sistema sono necessari diversi mesi, dobbiamo farlo al meglio ogni volta”.

L’insieme dei cristalli di CUORE è estremamente sensibile al lieve segnale energetico previsto per il doppio decadimento beta senza neutrini. Raffreddare i rivelatori ad una temperatura leggermente inferiore a -273 °C rende l’intera schiera, che pesa circa 742 kg, sensibile all’impercettibile aumento di temperatura causato dall’interazione di una singola particella in ciascuno dei cristalli. Il tellurio-130 nei cristalli, ovvero l’elemento che può dare luogo al decadimento cercato, costituisce circa 206 kg del peso totale di CUORE.

Alla fine del programma sperimentale di CUORE, della durata di 5 anni, è prevista una variante di nuova generazione chiamata CUPID, che sostituirà i cristalli di tellurio con nuovi cristalli che con tutta probabilità saranno costituiti da un composto del molibdeno, in grado di emettere luce. Questi cristalli produrranno quindi sia segnali di calore (innalzamento di temperatura, come quelli di CUORE), sia di luce, e incrementeranno ulteriormente le prestazioni e la sensibilità dell’esperimento.

“Il decadimento teorizzato nei cristalli di CUORE è un processo di creazione di materia che ha implicazioni anche sulla comprensione del big bang, l’esplosione all’inizio del nostro universo, e potrebbe spiegare come la materia ha prevalso sull’antimateria nella sua evoluzione”, spiega Claudia Tomei, ricercatrice presso l’INFN di Roma e membro del CUORE Executive Board, “È un momento esaltante per la fisica del neutrino, grazie ai contributi di esperimenti diversi e complementari che ci aiuteranno a capire meglio le proprietà di queste particelle”, conclude Tomei. “Sappiamo che impareremo molto, – aggiunge Cremonesi – e puntiamo a una misura definitiva.”

Riuscire a catturare un neutrino di Majorana significherebbe infatti di spiegare i meccanismi alla base dei processi di creazione della materia, gli stessi che entrati in azione nei primi istanti dopo il Big Bang da cui è nato l’universo. I dati, in via di pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters, sono stati raccolti fra aprile 2017 e luglio 2019 utilizzando un nuovo algoritmo che permette di amplificare i segnali dei rivelatori e di eliminare il rumore di fondo.

Cos’è il neutrino di Majorana

Ogni secondo il nostro corpo è attraversato da decine di migliaia di miliardi di neutrini, le particelle più elusive che conosciamo. Sono passati più di 50 anni dalla loro scoperta, ma le loro proprietà fondamentali sono ancora ignote. Gli intensi sforzi sperimentali dell’ultimo decennio hanno evidenziato che hanno massa, ma anche che essa è estremamente piccola: almeno 500.000 volte più piccola di quella dell’elettrone. Ad affascinare gli scienziati non è solo il valore della massa, ma anche la sua natura intima che potrebbe essere diversa da quella di tutte le altre particelle note. Infatti, i neutrini appartengono alla classe di particelle chiamate fermioni, i quali, in accordo con la teoria di Dirac che li descrive, hanno un partner distinto, chiamato antifermione, con la stessa massa ma con carica opposta. Il neutrino è l’unico fermione elementare a essere privo di carica e per questo potrebbe essere l’antiparticella di se stesso. Il modo più promettente per verificare questa suggestiva ipotesi, formulata da Majorana negli anni ’30, consiste nella ricerca di un processo estremamente raro: il doppio decadimento beta senza (anti-)neutrini.
Un decadimento beta semplice consiste nella trasformazione di un neutrone in un protone, con l’emissione di un elettrone e di un antineutrino (vd. fig. a). È possibile anche il processo inverso, in cui un neutrino collide con un neutrone producendo un protone e un elettrone. Se il neutrino è una particella di Majorana, cioè coincide con l’antineutrino, l’antineutrino prodotto nel primo decadimento beta potrebbe a sua volta interagire (nei panni di un neutrino) con un neutrone ed emettere un altro protone e un secondo elettrone (vd. fig. a, in basso). È questo il doppio decadimento beta senza neutrini: due neutroni si trasformano in due protoni e due elettroni, senza che vi siano neutrini nello stato finale.
neutrino di majorana
a.
Tre possibili processi beta. In alto a sinistra, semplice: un neutrone all’interno di un nucleo decade in un protone (che resta nel nucleo), un elettrone e un antineutrino; in alto a destra, inverso: un neutrino interagisce con un neutrone producendo un protone e un elettrone; in basso, doppio senza neutrini: se il neutrino e l’antineutrino coincidono, l’antineutrino del processo semplice è anche il neutrino che innesca il processo inverso. Nel nucleo restano due protoni e vengono prodotti due elettroni senza neutrini.

Questo processo è permesso solo nella teoria di Majorana e la probabilità che ciò accada è proporzionale a due diverse quantità: alla probabilità di avere due decadimenti beta simultanei e al quadrato della massa del neutrino. Il secondo aspetto implica anche che l’osservazione di questo processo fornirebbe allo stesso tempo una misura della massa del neutrino. Insomma la scoperta del decadimento doppio beta senza neutrini è una delle sfide più importanti della fisica delle particelle, visto che aprirebbe definitivamente le porte a nuova fisica oltre il modello standard, confermando in un colpo solo la correttezza dell’ipotesi di Majorana, e quindi la natura speciale dei neutrini, e misurandone anche la massa.

La vera difficoltà è che la probabilità che ciò si verifichi è piccolissima, così piccola che ci aspettiamo di vedere meno di un evento ogni dieci milioni di miliardi di miliardi di anni, mentre l’universo in cui viviamo ha poco più di tredici miliardi di anni! Sembrerebbe una misura senza alcuna possibilità di riuscita, ma non è così. Affinché il doppio decadimento beta senza neutrini possa avvenire è necessario che i due neutroni siano molto vicini, come lo sono all’interno del nucleo atomico. I nuclei in cui è più probabile che avvenga il decadimento doppio beta senza neutrini sono quelli con un egual numero di protoni e di neutroni: in particolare, si usano isotopi del tellurio, del germanio, dello xenon, del molibdeno e del selenio. Il tellurio (Te) è l’elemento più usato, perché quello che si trova in natura contiene più del 30% dell’isotopo 130Te utile alla misura, a differenza degli altri che contengono solo piccole percentuali dell’isotopo necessario.

A questo punto l’osservazione sperimentale del doppio decadimento beta senza neutrini è apparentemente semplice: il decadimento dei due neutroni all’interno del nucleo padre (per esempio, il tellurio) produce due protoni che rimangono nel nucleo figlio (lo xenon, nel caso del tellurio) e l’emissione di due elettroni. Non essendoci altre particelle prodotte sappiamo che la somma delle energie degli elettroni deve essere uguale alla differenza tra la massa del nucleo padre e del nucleo figlio. Per evitare di aspettare più dell’età dell’universo, è necessario osservare molti nuclei insieme: per esempio 100 kg di tellurio corrispondono a quasi un miliardo di miliardi di miliardi di atomi. Con un così alto numero di atomi nel tempo di vita tipico di un esperimento (tra i cinque e i dieci anni) si dovrebbero osservare una decina di eventi.

Sì, solo una decina… non pochi per un evento quasi impossibile! Per riconoscere questi pochi eventi basterà misurare l’energia dei due elettroni emessi e controllare che la somma sia quella giusta. La realtà è però assai più complicata a causa del problema del fondo. Questo consiste di tutti quegli eventi che, pur essendo di natura completamente diversa, danno luogo a un segnale indistinguibile da quello degli elettroni emessi nel doppio decadimento beta senza neutrini: due elettroni con la somma giusta di energia. Tale segnale può essere causato da decadimenti radioattivi di materiali vicini ai rivelatori oppure dalle interazioni di particelle provenienti dall’ambiente in cui il rivelatore si trova a operare.

Se all’energia a cui ci si aspetta il segnale vi sono molti altri “segnali” dovuti al fondo, osservare i pochi eventi di segnale sarebbe come cercare di captare le note di un violino all’interno di uno stadio di calcio al momento del gol. Il mistero che si cela nella massa del neutrino affascina i fisici di tutto il mondo da tempo. Sono stati ideati rivelatori all’estremo limite della tecnologia conosciuta, per riuscire a trovare un evento così raro come il doppio decadimento beta senza neutrini.

Già agli inizi degli anni 2000, la ricerca è stata condotta da alcuni esperimenti: da Cuoricino, il prototipo di Cuore (vd. approfondimento), e Heidelberg-Moscow, entrambi ai Laboratori del Gran Sasso, e da Nemo3 nei laboratori sotterranei del Fréjus in Francia. In tutti questi esperimenti sono state usate specie atomiche e tecniche sperimentali diverse, che hanno permesso di sviluppare e mettere a punto i metodi innovativi impiegati dagli esperimenti che inizieranno a prendere i dati nei prossimi anni. Oltre a Cuore, che usa il tellurio e inizierà a prendere dati nel 2015, ci sono Gerda, sempre nei Laboratori del Gran Sasso, che impiega germanio e che scherma il rivelatore usando argon liquido, il giapponese Kamland-Zen, che impiega xenon, e infine Exo, negli Stati Uniti, che usa le proprietà scintillanti dello xenon insieme a un ingegnoso sistema di tracciamento degli elettroni.

È ben possibile che nei prossimi anni riusciremo a scoprire almeno un decadimento doppio beta senza neutrini, chiara indicazione di nuova fisica oltre il modello standard, che aprirà la strada a una stagione di nuove misure. Potrebbe anche succedere che nessuno degli esperimenti in funzione riesca nel suo scopo. In entrambi i casi sarà necessario sviluppare rivelatori ancora più sensibili al segnale e ancora più capaci di rigettare il fondo: il progetto Lucifer ha già raccolto questa sfida del domani e svilupperà, presso i Laboratori del Gran Sasso, un prototipo di rivelatore innovativo. Molti degli esperimenti alla ricerca del decadimento doppio beta senza neutrini, come Cuore, operano in condizioni di estremo freddo ma, come ci ricorda il nome di Lucifer, la sfida si preannuncia molto calda.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Improved Limit on Neutrinoless Double-Beta Decay in 130Te with CUORE – CUORE CollaborationD. Q. AdamsC. Alduino, arXiv:1912.10966 – Submitted on 23 Dec 2019
  2.  V. Mourik, et al, Signatures of Majorana Fermions in Hybrid Superconductor-Semiconductor Nanowire Devices (PDF), Science, 12 aprile 2012.
  3. Stevan Nadj-Perge, et al., Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor, Science, 31 ottobre 2014.
  4. Victoria Woollaston, Mysterious new state of matter discovered, su Daily Mail, 4 aprile 2016. URL consultato il 4 aprile 2016.
  5. A. Banerjee, C. A. Bridges e J.-Q. Yan, Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet, in Nature Materials, 4 aprile 2016, DOI:10.1038/nmat4604
  6. Ettore Majorana, Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone, Nuovo Cimento, vol.14, 1937, pp. 171–184.

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