Частицы нейтрино: Неуловимая частица. Зачем российские астрофизики ищут стерильные нейтрино |

Содержание

Неуловимая частица. Зачем российские астрофизики ищут стерильные нейтрино

В горах Кабардино-Балкарии астрофизики начали эксперимент, призванный проверить существование стерильных нейтрино. Это, по сути, попытка найти новую физику. Объясняем, что нужно знать об исследовании

Нейтрино — это элементарные частицы, которые примечательны по нескольким причинам. Во-первых, они практически не взаимодействуют с остальным веществом: поток нейтрино свободно проходит всю Землю насквозь. Во-вторых, нейтрино бывают трех типов, и при этом они могут превращаться из нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. В-третьих, ряд теоретиков предполагает существование четвертого типа нейтрино, которое называют стерильным. Эксперимент российских ученых, начавшийся в обсерватории под кавказскими горами, — BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) — призван либо доказать наличие частиц четвертого типа, либо закрыть эту возможность.

Попытка найти новую физику

«Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом, — если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например, — новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя: возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике: подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий», — говорит Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.

Сегодня фундаментальных взаимодействий нам известно ровно четыре: электромагнитное, сильное (оно скрепляет частицы внутри ядер атомов и кварки внутри протонов с нейтронами), слабое (отвечающее за превращения кварков друг в друга) и гравитационное. 100 лет назад их было всего два: физики знали электромагнетизм и гравитацию. Открытие сильного и слабого взаимодействий позволило создать атомные электростанции, ядерное оружие, лучевую терапию рака и многое другое.

Теоретическое предсказание нейтрино, кстати, было ключевым событием на пути к открытию слабого взаимодействия. В 1930 году Вольфганг Паули придумал эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии в ядерных реакциях с бета-распадом. Конечная энергия частиц, получающихся в ходе распада, оказывалась меньше начальной. Следовательно, остаток приходится на долю какой-то еще — до сих пор неизвестной — частицы, которую экспериментаторы тогда не видели; через несколько лет после идеи Паули другой ученый, Энрико Ферми, разработал теорию, где вдобавок к электромагнитному и сильному (ядерному) взаимодействию появлялось еще одно, позже названное «слабым». Слабое взаимодействие могло превращать нейтрон в протон и порождать электрон и нейтрино.

На эту тему

Правоту Паули доказала через 26 лет группа американских физиков, проводя опыты с ядерным реактором и специальным детектором. Из того миллиона триллионов нейтрино, которые возникали в реакторе и пролетали через детектор каждую секунду, некоторые в какой-то момент должны были пролететь не между атомными ядрами, а удариться в одно из них. Столкновение должно было породить микроскопическую вспышку. Залив в свою установку более двух тонн специально подобранного раствора (смеси органических жидкостей) и обложив ее вокруг чувствительными приборами для регистрации сверхслабых вспышек света, ученые смогли насчитать за час всего три таких вспышки — они-то и стали первыми обнаружениями нейтрино.

Принципиально нейтринные обсерватории с тех пор не поменялись: эти едва уловимые частицы ловят в кромешном мраке. А чтобы защитить детекторы от всевозможных помех (других частиц, прилетающих из космоса и радиоактивных веществ в горных породах) спускаются как можно глубже и окружают ловушки для нейтрино дополнительными экранами.

Нейтрино ищут во льдах, шахтах и горных тоннелях

Американские физики разместили свой детектор IceCube (дословно «кубик льда») прямо в леднике на Южном полюсе. Итальянские исследователи оборудовали нейтринные обсерватории в ответвлениях автомобильных тоннелей под горами. Канадцы и японцы использовали старые шахты.

В России есть два больших нейтринных проекта: подводный нейтринный телескоп в Байкале — именно в, поскольку он погружен в воду, и Баксанская нейтринная обсерватория в тоннелях под горой Андырчи в Кабардино-Балкарии. В прошлом году научно-популярный сайт «Чердак» снял документальный фильм о том, что представляет из себя обсерватория в кавказских горах.

‘ Youtube/Чердак’

Все ухищрения, которые предпринимают физики, — уход поглубже в воду или толщу земли, строительство детектора побольше, расположение рядом с интенсивным источником нейтрино вроде большой АЭС — призваны сделать помехи поменьше, а «нейтринный улов» побольше. Начавшаяся в прошлом веке охота за нейтрино привела к открытию нейтрино трех типов (электронное, мюонное и тау), показала, что они иногда превращаются друг в друга (или осциллируют) и даже привела к обнаружению нейтрино, порождаемых вспышками сверхновых звезд.

Но обнаружить стерильное нейтрино, если оно действительно существует, никакой детектор напрямую не позволит: согласно теории, оно вовсе не взаимодействует ни с чем, кроме гравитационного поля. Иными словами, такие частицы пролетают сквозь любой материал и не сталкиваются даже с атомными ядрами. То есть они в буквальном смысле невидимы.

Казалось бы, доказательство существования принципиально неуловимой частицы звучит слишком похоже на поиски возможно отсутствующей черной кошки в темной комнате. Тем не менее она решаема. Потому что, в отличие от кошек, нейтрино осциллируют.

На эту тему

За стерильными нейтрино охотятся уже очень, очень долго. Последний громкий результат был получен на эксперименте MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же «Фермилаб»), где ловят нейтрино полтора десятка лет. 1 июня прошлого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино свой детектор и смотрели, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких масштабах 1977 подобных событий. Американцы насчитали на 461 больше. Но им пока так никто не не поверил: стоило ученым выложить свою статьи в открытый доступ, еще до отправки ее в журнал, авторитетнейший журнал Science выступил с призывом к экспериментаторам внимательно проверить свои данные — не набрали ли они просто 461 ошибку за 15 лет наблюдений? И c решением вопроса о существовании стерильных нейтрино наука решила подождать. Российские физики намерены искать, наоборот, не лишние, а недостающие события.

Подробно о том, как ученые будут проводить эксперимент, сколько он продлится, когда будут опубликованы результаты первых исследований, читайте в полной версии статьи на научно-популярном сайте «Чердак». Вдобавок советуем почитать о том, как Нобелевскую премию присудили за доказательство того, что у нейтрино есть масса.

Алексей Тимошенко

Масса неуловимой частицы определена с невероятной точностью в ходе эксперимента

16 февраля 2022
19:14

Ольга Мурая

Монтаж электродов в основном спектрометре эксперимента KATRIN.

Фото Joachim Wolf/KIT.

Международная коллаборация исследователей вычислила, что масса неуловимой частицы под названием нейтрино составляет менее одного электронвольта. Этот эксперимент открывает новый рубеж не только для физики элементарных частиц, но и для космологических исследований.

С тех пор, как учёные подтвердили существование нейтринных осцилляций — превращений различных видов нейтрино друг в друга и в антинейтрино — стало понятно, что эти частицы имеют массу. Однако, какова же точная масса нейтрино, до сих пор остаётся неизвестным.

Международный эксперимент KATRIN, проводимый в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), позволил ограничить вероятную массу нейтрино до рекордно низкого значения — 0,8 электронвольта (эВ).

Напомним, что физики исчисляют массу элементарных частиц в единицах энергии. Массу и энергию связывает легендарная и всем известная формула E = mc².

Новый верхний предел для массы нейтрино — это, конечно, не сама точная масса. Но она тоже очень важна как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Кроме того, теперь мы точно знаем, что нейтрино, как минимум, в 500 тысяч раз легче электрона.

Загадочные нейтрино, пожалуй, интересуют учёных больше всех остальных элементарных частиц во Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их очень малая, но ненулевая масса указывает на новые физические явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Без измерения возможного разброса масс нейтрино наше понимание Вселенной так и останется неполным.

Коллаборация KATRIN, созданная в сотрудничестве с партнёрами из шести стран, поставила перед собой цель создать самую чувствительную в мире шкалу измерения электронного антинейтрино.

В эксперименте использовался бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода. Масса нейтрино определяется по распределению энергий электронов, высвобождаемых в процессе распада.

Это требует значительных технологических возможностей: на 70-метровом объекте находится самый мощный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии электронов, испускаемых при распаде, с беспрецедентной точностью.

С начала измерений в 2019 году качество научных данных, получаемых коллаборацией, постоянно улучшалось.

«KATRIN – это эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он работает как часы», – с энтузиазмом заявляет руководитель проекта Гвидо Дрекслин (Guido Drexlin) из KIT.

Углублённый анализ собранных данных требовал от международной аналитической группы слаженных усилий. Каждое влияние, каким бы слабым оно ни было, должно было быть исследовано в деталях.

Только с помощью трудоёмких и сложных вычислений учёные смогли исключить систематическую погрешность результата из-за процессов, влияющих на измерения.

Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование, основанное на исчезающе малой массе нейтрино, идеально совпадают: так исследователи смогли точно определить новый верхний предел массы нейтрино, равный 0,8 эВ.

Это первый раз, когда прямой эксперимент с массой нейтрино вошёл в космологически и физически важный диапазон масс ниже одного электронвольта, где, как предполагается, находится абсолютная шкала масс нейтрино.

Сопредседатели и координаторы анализа KATRIN очень оптимистично смотрят в будущее. Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. Чтобы реализовать весь потенциал этого уникального эксперимента, учёные постоянно разрабатывают и внедряют улучшения, которые позволяют ещё больше снизить влияние фоновых процессов.

Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы TRISTAN, которая позволит KATRIN с 2025 года приступить к поиску стерильных нейтрино с массами в килоэлектронвольтном диапазоне. Они, к слову, являются кандидатами на звание частиц загадочной тёмной материи.

Результаты новой работы были опубликованы в научном журнале Nature Physics.

Ранее мы писали о том, как нейтрино впервые засекли на Большом адронном коллайдере, а ещё о том, что сразу два крупнейших нейтринных телескопа зафиксировали следы нейтрино, исходивших предположительно из одного источника.

Также мы рассказывали об эксперименте, который должен выяснить, является ли нейтрино своей собственной античастицей.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
физика
стандартная модель
эксперимент
нейтрино
элементарная частица
новая физика
новости
масса

В поисках нейтрино, частиц-призраков природы | Наука

Пещерный детектор Супер-Камиоканде в Японии оснащен 13 000 сенсорами для точного обнаружения признаков нейтрино.
Обсерватория Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет

Мы наводнены нейтрино. Это одни из самых легких из примерно двух десятков известных субатомных частиц, и они исходят со всех сторон: от Большого взрыва, с которого началась Вселенная, от взорвавшихся звезд и, прежде всего, от Солнца. Они проходят сквозь землю почти со скоростью света, все время, днем и ночью, в огромных количествах. Каждую секунду через наши тела проходит около 100 триллионов нейтрино.

Проблема физиков в том, что нейтрино невозможно увидеть и трудно обнаружить. Любой инструмент, предназначенный для этого, может казаться твердым на ощупь, но для нейтрино даже нержавеющая сталь — это в основном пустое пространство, столь же широко открытое, как солнечная система для кометы. Более того, нейтрино, в отличие от большинства субатомных частиц, не имеют электрического заряда — они нейтральны, отсюда и название, — поэтому ученые не могут использовать электрические или магнитные силы для их захвата. Физики называют их «частицами-призраками».

Чтобы поймать этих неуловимых существ, физики провели несколько необычайно амбициозных экспериментов. Чтобы нейтрино не путали с космическими лучами (субатомными частицами из космоса, не проникающими сквозь землю), детекторы устанавливаются глубоко под землей. Огромные из них были размещены в золотых и никелевых рудниках, в туннелях под горами, в океане и во льдах Антарктиды. Эти необычайно красивые устройства являются памятником решимости человечества познавать вселенную.

Неясно, какое практическое применение может принести изучение нейтрино. «Мы не знаем, к чему это приведет», — говорит Борис Кайзер, физик-теоретик из Фермилаб в Батавии, штат Иллинойс.

Физики изучают нейтрино отчасти потому, что нейтрино — такие странные персонажи: кажется, что они нарушают правила, описывающие природу в ее самых фундаментальных проявлениях. И если физики когда-нибудь осуществят свои надежды на разработку целостной теории реальности, объясняющей основы природы без исключения, им придется объяснить поведение нейтрино.

Кроме того, нейтрино интригуют ученых, потому что эти частицы являются вестниками из дальних уголков Вселенной, созданными бурно взрывающимися галактиками и другими загадочными явлениями. «Нейтрино могут рассказать нам то, чего не могут сказать более банальные частицы», — говорит Кайзер.

Физики придумали нейтрино задолго до того, как они их обнаружили. В 1930 году они создали концепцию баланса уравнения, которое не складывалось. Когда ядро радиоактивного атома распадается, энергия испускаемых им частиц должна равняться энергии, которую оно первоначально содержало. Но на самом деле, как заметили ученые, ядро теряет больше энергии, чем улавливают детекторы. Поэтому, чтобы объяснить эту дополнительную энергию, физик Вольфганг Паули придумал дополнительную невидимую частицу, испускаемую ядром. «Сегодня я сделал что-то очень плохое, предложив частицу, которую невозможно обнаружить», — написал Паули в своем дневнике. «Это то, чего ни один теоретик никогда не должен делать».

Экспериментаторы все равно начали его искать. В лаборатории ядерного оружия в Южной Каролине в середине 1950-х годов они разместили два больших резервуара для воды возле ядерного реактора, который, согласно их уравнениям, должен был производить десять триллионов нейтрино в секунду. Детектор был крошечным по сегодняшним меркам, но все же смог обнаружить нейтрино — три в час. Ученые установили, что предполагаемое нейтрино действительно было реальным; изучение неуловимой ускоренной частицы.

Десять лет спустя поле расширилось, когда другая группа физиков установила детектор на золотом руднике Хоумстейк в Лиде, Южная Дакота, на глубине 4850 футов под землей. В этом эксперименте ученые намеревались наблюдать за нейтрино, наблюдая за тем, что происходит в тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с атомом хлора и создает радиоактивный аргон, который легко обнаружить. В основе эксперимента был резервуар, наполненный 600 тоннами жидкости с высоким содержанием хлора, перхлорэтилена, жидкости, используемой в химической чистке. Каждые несколько месяцев ученые промывали резервуар и извлекали около 15 атомов аргона, что свидетельствовало о наличии 15 нейтрино. Наблюдение продолжалось более 30 лет.

Надеясь обнаружить нейтрино в большем количестве, ученые из Японии провели эксперимент на глубине 3300 футов в цинковой шахте. Супер-Камиоканде, или, как его еще называют, Супер-К, начал работать в 1996 году. Детектор состоит из 50 000 тонн воды в куполообразном резервуаре, стенки которого покрыты 13 000 световыми датчиками. Датчики обнаруживают случайную голубую вспышку (слишком слабую для наших глаз), возникающую, когда нейтрино сталкивается с атомом в воде и создает электрон. И, проследив точный путь, пройденный электроном в воде, физики могли сделать вывод о космическом источнике сталкивающихся нейтрино. Они обнаружили, что большинство из них пришли от солнца. Измерения были достаточно чувствительными, чтобы Super-K мог отслеживать путь солнца по небу и, находясь почти на милю ниже поверхности земли, наблюдать, как день превращается в ночь. «Это действительно захватывающая вещь, — говорит Джанет Конрад, физик из Массачусетского технологического института. Треки частиц могут быть скомпилированы для создания «красивого изображения, картины солнца в нейтрино».

Но эксперименты Homestake и Super-K не обнаружили столько нейтрино, сколько ожидали физики. Исследования в нейтринной обсерватории Садбери (SNO, произносится как «снег») определили, почему. Установленный в никелевом руднике глубиной 6800 футов в Онтарио, SNO содержит 1100 тонн «тяжелой воды», имеющей необычную форму водорода, которая относительно легко реагирует с нейтрино. Жидкость находится в резервуаре, подвешенном внутри огромного акрилового шара, который сам удерживается внутри геодезической надстройки, поглощающей вибрации и на которой подвешены 9456 датчиков света — все это выглядит как украшение рождественской елки высотой 30 футов.

Ученые, работающие в SNO, в 2001 году обнаружили, что нейтрино может спонтанно переключаться между тремя разными типами — или, как говорят физики, оно колеблется между тремя ароматами. Это открытие имело поразительные последствия. Во-первых, это показало, что в предыдущих экспериментах было обнаружено гораздо меньше нейтрино, чем предсказывалось, потому что инструменты были настроены только на один аромат нейтрино — тот, который создает электрон, — и пропускали те, которые переключались. Во-вторых, открытие опровергло убеждение физиков в том, что нейтрино, как и фотон, не имеет массы. (Колебание между ароматами — это то, на что способны только частицы, обладающие массой.)

Сколько массы у нейтрино? Чтобы выяснить это, физики строят KATRIN — тритиевый нейтринный эксперимент в Карлсруэ. Бизнес-конец KATRIN может похвастаться 200-тонным устройством, называемым спектрометром, который измеряет массу атомов до и после их радиоактивного распада, тем самым показывая, сколько массы уносит нейтрино. Технические специалисты построили спектрометр примерно в 250 милях от Карлсруэ, Германия, где будет проводиться эксперимент; аппарат был слишком велик для узких дорог региона, поэтому его посадили на лодку по реке Дунай и проплыли мимо Вены, Будапешта и Белграда, в Черное море, через Эгейское и Средиземное, вокруг Испании, через Ла-Манш , в Роттердам и в Рейн, затем на юг до речного порта Леопольдсхафен, Германия. Там его погрузили на грузовик и через два месяца и 5600 миль повезли через город к месту назначения. Сбор данных планируется начать в 2012 г.

Физики и астрономы, заинтересованные в информации о том, что нейтрино из космоса могут нести сверхновые звезды или сталкивающиеся галактики, создали нейтринные «телескопы». Один, названный IceCube, находится внутри ледяного поля в Антарктиде. Когда он будет завершен в 2011 году, он будет состоять из более чем 5000 датчиков синего света (см. схему выше). Сенсоры нацелены не на небо, как можно было бы ожидать, а на землю, чтобы обнаруживать нейтрино от солнца и космоса, которые проходят через планету с севера. Земля блокирует космические лучи, но большинство нейтрино пролетают через планету шириной 13 000 километров, как будто ее там нет.

В нескольких штатах Среднего Запада проводится дальний нейтринный эксперимент. Высокоэнергетический ускоритель, генерирующий субатомные частицы, выпускает пучки нейтрино и связанных с ними частиц на глубину до шести миль под северным Иллинойсом, через Висконсин и Миннесоту. Частицы стартуют в Фермилабе в рамках эксперимента под названием «Поиск осцилляции главного инжектора нейтрино» (MINOS). Менее чем за три тысячных секунды они попали в детектор в железном руднике Судана, в 450 милях от них. Данные, которые собрали ученые, усложняют их картину этого бесконечно малого мира: теперь оказывается, что экзотические формы нейтрино, так называемые антинейтрино, могут не следовать тем же правилам генерации, что и другие нейтрино.

«Хорошо, — говорит Конрад, — что это не то, что мы ожидали».

Что касается нейтрино, то их очень мало.

Последняя книга Энн Финкбайнер , A Grand and Bold Thing , посвящена Слоановскому цифровому обзору неба, попытке нанести на карту вселенную.

Большинство нейтрино, которые бомбардируют нас, исходят от Солнца, показанного здесь на ультрафиолетовом изображении.
НАСА

Пещерный детектор Супер-Камиоканде в Японии оснащен 13 000 сенсорами для точного обнаружения признаков нейтрино. Рабочие в лодке следят за устройством, пока оно наполняется водой.
Обсерватория Камиока, ICRR (Институт исследования космических лучей), Токийский университет

В ходе ряда реакций в ядре Солнца атомы водорода создают гелий в результате синтеза. В процессе высвобождается энергия и субатомные частицы, включая нейтрино. Когда фотон, или частица света, покидает плотное ядро Солнца, он попадает в ловушку жара и ярости и может не достичь нас в течение миллионов лет. Но солнечные нейтрино не останавливаются и достигают Земли за восемь минут.
Самуэль Веласко / 5W Инфографика

Канадская нейтринная обсерватория Садбери подтвердила, что нейтрино может изменить свою идентичность.
СНО

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, показанные здесь в лабораторном детекторе STAR, надеются направить пучок нейтрино под землю на шахту Хоумстейк в Южной Дакоте.
БНЛ

Детектор нейтрино MINOS в Миннесоте является целью пучков нейтрино, выпущенных из Иллинойса.
Визуальные мультимедийные услуги Fermilab

Спектрометр KATRIN, который будет измерять массу нейтрино, протиснулся через Леопольдсхафен, Германия, по пути в лабораторию.
Технологический институт Карлсруэ

Детектор нейтрино IceCube в Антарктиде встроен во лед. С 5000 датчиков, подключенных к более чем 70 линиям, IceCube будет искать нейтрино, которые прошли 8000 миль через планету.
Университет Висконсин-Мэдисон

Цепочка датчиков спускается в яму глубиной 8000 футов.
Джим Хауген / Национальный научный фонд

Рекомендуемые видео

Исчезающие нейтрино, которые могут перевернуть фундаментальную физику

Детектор SNO+, строящийся в Садбери, Канада. Фото: Volker Steger/SPL

Итальянский физик Этторе Майорана бесследно исчез в 1938 году. Его любимые элементарные частицы, нейтрино, могут быть способны к подобному исчезновению. Несколько новых или модернизированных экспериментов по всему миру стремятся показать, что чрезвычайно редкий вид ядерного распада, который обычно производит два нейтрино, может иногда не давать ни одного.

Эти эксперименты получили меньше финансирования или внимания, чем усилия по обнаружению темной материи, но их влияние на физику может быть не менее значительным. Феномен исчезновения частиц предполагает, что нейтрино и антинейтрино, их аналоги из антивещества, являются одним и тем же — возможность, которую Майорана впервые предположил ¹ в 1930-х годах.

Такие «майорановские нейтрино» могут быть ключом к пониманию того, почему Вселенная, по-видимому, содержит очень мало антиматерии (см. «Вопросы, на которые можно было бы ответить, если нейтрино являются майорановскими частицами»). Более того, они докажут, что в отличие от всех других известных частиц материи, таких как электроны или кварки, нейтрино не получают свою массу от бозона Хиггса.

Физики искали исчезновение нейтрино на протяжении десятилетий, но сейчас поиски резко активизировались, а это означает, что у них «действительно хорошие шансы» обнаружить его с помощью устройств следующего поколения, говорит Мишель Долински, физик-экспериментатор из Университет Дрекселя в Филадельфии, Пенсильвания.

Эксперименты, которые в настоящее время проводятся или строятся в Японии, Южной Корее, Италии, Канаде и Соединенных Штатах, на порядок более чувствительны, чем детекторы предыдущего поколения, и планируемые будущие детекторы улучшат это еще на два порядка (см. Эксперименты по всему миру»). В 2015 году консультативный комитет при Министерстве энергетики США определил такой проект в качестве приоритетного, и считается, что обязательство по финансированию эксперимента по обнаружению майорановских нейтрино, стоимость которого оценивается примерно в 250 миллионов долларов США, неминуемо.

Долгое ожидание

Нейтрино или антинейтрино образуются всякий раз, когда протон в нестабильном атомном ядре распадается на нейтрон или наоборот. Этот процесс, называемый β-распадом, также выбрасывает либо электрон, либо его античастицу — все вместе известные как β-частицы.

Мужчина стоит в резервуаре для воды эксперимента ЛЕГЕНДА-200. Криостат в центре удерживал мишень из германия-76 в холодном состоянии. Предоставлено: сотрудничество Кай Фройнд/GERDA

Нобелевский лауреат по физике Мария Гепперт-Майер предсказала ² в 1935 году, что некоторые атомные ядра могут распадаться, превращая два своих нейтрона в протоны (или наоборот) сразу, испуская две β-частицы. Этот «двойной β-распад» также должен производить два нейтрино или антинейтрино. Вычисление Гепперта-Майера оказалось правильным, но этот тип распада встречается крайне редко: один случай ³ , превращение теллура-128 в ксенон-128, имеет самый длинный известный период полураспада среди всех ядерных реакций, более чем 10 ²⁴ лет, или один миллион миллиардов миллиардов лет.

Через четыре года после статьи Гепперта-Майера физик Венделл Фурри указал ⁴, что если бы Майорана был прав и нейтрино были бы их собственными античастицами, то два нейтрино, испускаемые ядром с двойным распадом, должны время от времени аннигилировать друг с другом, поэтому ядро испускало бы только электроны.

Эксперименты по проверке существования майорановских нейтрино пытаются обнаружить этот безнейтринный двойной β-распад. В принципе, это обезоруживающе просто: возьмите кусок материала, который может подвергнуться процессу, и наблюдайте за ним столько, сколько сможете, чтобы увидеть, испускает ли он два электрона, несущих определенное количество энергии.

Но безнейтринная радиоактивность, если она существует, была бы самой медленной из известных форм ядерного распада: по крайней мере на два порядка более редкой, чем обычный двойной β-распад. Наилучший результат на данный момент — полученный с помощью массива детекторов германия (GERDA) в подземных национальных лабораториях Гран-Сассо в центральной Италии — показал ⁵, что один из кандидатов на участие в этом процессе, германий-76, должен иметь период полураспада более 1,8 × 10 ²⁶ лет. Это примерно в 10 квадриллионов раз больше возраста Вселенной.

Когда эксперименты по изучению редких радиоактивных распадов увеличивают свою мощность или просто накапливают много данных, обычно происходит одно из двух: либо они наконец наблюдают реакцию, которую искали, либо повышают порог того, как долго должен длиться период ее полураспада. быть. Таким образом, возможность установить ограничения на период полураспада дает меру чувствительности эксперимента.

Эксперименты, которые в настоящее время начинаются или находятся на стадии планирования, должны быть примерно в 100 раз эффективнее, чем GERDA, — ограничение периода полураспада до 10 ²⁸ лет и более.

Бессердечный

Одной из распространенных стратегий повышения чувствительности является снижение фонового шума, такого как радиоактивные примеси внутри или вокруг детекторов, которые могут давать ложные сигналы, похожие на пары электронов с сигнатурой майорановского нейтрино. Некоторые команды приложили огромные усилия, чтобы устранить их. «Если вы соберете немного грязи, это может быть одна часть на миллион радиоактивности; наши материалы, как правило, составляют одну часть на триллион», — говорит Долински, представитель Обсерватории обогащенного ксенона (EXO-200), недавно завершившейся майорановским нейтринным экспериментом на подземном экспериментальном заводе по изоляции отходов недалеко от Карлсбада, штат Нью-Мексико.

Другой эксперимент в Гран-Сассо — Криогенная подземная обсерватория редких явлений (CUORE, по-итальянски «сердце») — поддерживает температуру ядра своего детектора на уровне 0,01 Кельвина, чтобы помочь ему различать различные сигналы; он был описан как «самый холодный кубический метр во Вселенной». CUORE также защищает свою цель из теллура, используя 4 тонны древнеримского свинца, который был извлечен после кораблекрушения и имеет особенно низкую радиоактивность.

Из всех существующих экспериментов GERDA добился наибольшего успеха в уменьшении фонового шума: за десять лет работы он практически не видел событий, имитирующих сигнатуру майорановских нейтрино.

Важно отметить, что германиевый детектор погружен в резервуар с жидким аргоном с температурой около 85 кельвинов, который играет тройную роль, говорит представитель Риккардо Бругнера, физик Падуанского университета в Италии. Он сохраняет германий холодным; он защищает его от внешнего излучения; и он действует как детектор, отсеивающий сигналы излучения, которые все еще могут проникать в ядро.

GERDA была демонтирована в прошлом году, так как ее команда объединила усилия с американской коллаборацией под названием MAJORANA для создания более крупного детектора: LEGEND-200, мишень которого будет сделана из 200 кг германия-76. В настоящее время он находится в стадии строительства в Гран-Сассо и должен начать сбор данных в ноябре. Увеличение размера цели увеличивает шансы увидеть распад. «Вам также нужна большая масса, иначе вам придется ждать веками», — говорит Бругнера.

В других экспериментах была достигнута такая же чувствительность, как у GERDA, за счет исключительного размера цели. В подземных лабораториях Японии и Канады физики перепрофилировали массивные детекторы, изначально предназначенные для улавливания нейтрино. Японский KamLAND-Zen 800 имеет около 750 кг ксенона-136, а канадский SNO+ будет иметь 1300 кг теллура-130. Оба эксперимента обнаруживают полосы света, создаваемые энергичными частицами, когда они пересекают резервуар, содержащий сотни тонн минерального масла.

В поисках финансирования

Еще один подход был впервые применен Долински EXO-200, в котором используется 200 кг жидкого ксенона-136. Ксенон действует как изотоп-кандидат на безнейтринный распад и как среда, в которой обнаруживаются электроны. Подобные детекторы на основе ксенона, настроенные на улавливание частиц из космоса, провели самые обширные поиски темной материи.

При стоимости менее 15 миллионов долларов EXO-200 «был построен незаметно, игнорируя большую часть бюрократии», — говорит Джорджио Гратта, физик из Стэнфордского университета в Калифорнии, который помог разработать его в начале 2000-х годов. Гратта надеется, что ожидаемое финансирование Министерства энергетики США пойдет на гораздо более амбициозную версию под названием nEXO, которая будет содержать 5 тонн ксенона и может стоить порядка 250 миллионов долларов.

Среди конкурентов nEXO за непредвиденную удачу есть команда ЛЕГЕНДА-200, у которой есть предложение масштабироваться до эксперимента «ЛЕГЕНДА-1000» с 1 тонной германия-76.

Физики говорят, что в гонке очень важно иметь множество больших детекторов. Первый намек на безнейтринный распад проявится в виде небольшого скачка в данных, и другие эксперименты должны будут повторить результаты. «Первое, что нужно сделать, — это подтвердить это с помощью другого изотопа», — говорит представитель CUORE Карло Буччи, физик из Гран-Сассо.

Тем не менее, нет никакой гарантии, что любой из этих экспериментов в ближайшее время покажет, что нейтрино являются майорановскими частицами. Ведущие теоретические модели предсказывают, что должны, но модели частично основаны на догадках о массах нейтрино. Тем не менее, большинство физиков считают, что это вопрос «когда», а не «если». И тогда, по крайней мере, одно из дел об исчезновении Этторе Майораны будет раскрыто.

Вопросы, на которые можно было бы ответить, если бы нейтрино были майорановскими частицами

Если нейтрино одновременно являются материей и антиматерией, это может помочь ответить на ряд важных вопросов фундаментальной физики.

1. Куда делась вся антиматерия? Если нейтрино являются майорановскими частицами, это может помочь объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии. Большой взрыв должен был создать равное количество каждого из них. Но материя должна была иметь немного больше шансов выжить в реакциях между субатомными частицами в горячем первозданном бульоне, что привело к нынешнему дисбалансу. Большой вопрос, почему. Обычный двойной β-распад производит два электрона и два антинейтрино, поэтому баланс частиц и античастиц не меняется. Но безнейтринный двойной β-распад произвел бы только два электрона, что привело бы к чистому увеличению числа частиц во Вселенной.

2. Откуда нейтрино берут массу и сколько у них? В стандартной модели физики элементарных частиц, сформулированной в 1970-х годах, кварки и электроны получили свои массы от бозона Хиггса, а нейтрино имели нулевую массу. Затем, в 1990-х годах, физики обнаружили, что у нейтрино действительно есть масса, хотя точно неизвестно, какая именно. Если нейтрино — майорановские частицы, то они получают свою массу благодаря другому механизму, а не бозону Хиггса. Более того, измерение частоты безнейтринного распада будет косвенно измерять массы антинейтрино (и, следовательно, нейтрино), потому что чем массивнее частицы, тем больше вероятность того, что они аннигилируют друг друга.

3. Почему нейтрино всегда вращаются одинаково? В отличие от таких частиц, как электрон, нейтрино всегда вращаются в одном направлении: их ось всегда совпадает с направлением их движения, а их вращение всегда «левостороннее» или против часовой стрелки. Антинейтрино наблюдались только при правом вращении.