Главная Новости Поведение нейтрино укажет, почему возникла Вселенная

Самое редкое явление в природе

На этой неделе исследователи из Криогенной подземной обсерватории редких явлений (CUORE) объявили, что они установили самые строгие ограничения на вероятность того, что нейтрино является своей собственной античастицей, передает Альтернативная наука..

Нейтрино - интересные необычные частицы, настолько вездесущие, что регулярно проходят через наши тела, не замечая нас.

Последние три года CUORE терпеливо ждала доказательств процесса ядерного распада, который возможен только в том случае, если нейтрино и антинейтрино являются одной и той же частицей. Новые данные обсерватории показывают, что такой распад, если и возможен, то в течение десятков миллионов и триллионов лет, если он вообще происходит.

Полученные CUORE данные уже считаются научным прорывом в ядерной физике. Кроме того, ученые полагают, что через некоторое время они смогут пояснить, откуда «все произошло» и к чему нам готовиться.

В конечном счете, мы пытаемся понять процесс создания материи", - говорит Карло Буччи, исследователь из Лаборатории Гран Сассо (LNGS) в Италии и представитель CUORE.

"Мы ищем процесс, который нарушает фундаментальную симметрию природы", - добавляет Роджер Хуанг, постдокторант Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли Министерства энергетики США и один из ведущих авторов нового исследования.

CUORE - по-итальянски "сердце" - является одним из самых чувствительных нейтринных экспериментов в мире. Новые результаты лаборатории основаны на наборе данных, собранных за последние три года.

CUORE работает в рамках международного исследовательского проекта, возглавляемого Национальным институтом физической ядерной физики (INFN) в Италии и Лабораторией Беркли в США.

Сам детектор обсерватории расположен под почти километровым слоем твердой породы в LNGS, объекте INFN. Ведущую научно-техническую роль в этом эксперименте играют физики-ядерщики. Новые результаты работы CUORE были опубликованы в журнале Nature.

Необычные частицы

Нейтрино есть везде. Они невидимы для двух самых сильных сил во Вселенной, электромагнетизма и сильного ядерного взаимодействия, что позволяет им свободно проникать сквозь нас, Землю, любую материю.

CUORE, обсерватория, расположенная глубоко под землей

Несмотря на их огромное количество, они очень трудны для изучения, что заставляет физиков ломать гсебе олову над методиками измерений. Про эксперименты мы уже не говорим.

До конца 1990-х годов даже не было известно, обладают ли нейтрино вообще массой - как оказалось, обладают, хотя и не очень большой.

Один из многих остающихся открытых вопросов - являются ли они своими античастицами. У всех частиц есть античастицы, их собственные антиматериальные двойники: у электронов есть позитроны, у кварков - антикварки, а у нейтронов и протонов - антинейтроны и антипротоны.

Но в отличие от всех этих частиц, теоретически возможно, что нейтрино являются атичастицами самих себя. Такая вероятность была впервые постулирована итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году. Они известны как как фермионы Майораны.

Если нейтрино неотличимы от фермионов Майораны, это объясняет глубокий вопрос, лежащий в основе нашего существования: почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии?

Нейтрино и электроны - это лептоны, своего рода фундаментальные частицы. Один из фундаментальных законов природы заключается в том, что число лептонов всегда сохраняется - если создается лептон, возникает и антилептон, чтобы уравновесить его.

Аналогично, количествр барионов также сохраняется. Однако если бы число барионов и лептонов всегда сохранялось, то во Вселенной было бы ровно столько же материи, сколько и антиматерии, а в ранней Вселенной материя и антиматерия встретились бы и аннигилировали, а нас бы не существовало.

Что-то должно нарушить точное сохранение барионов и лептонов. Введем нейтрино: если нейтрино являются собственными античастицами, то лептонное число не должно сохраняться, и наше существование становится гораздо менее загадочным.

"Асимметрия материи и антиматерии во Вселенной до сих пор не объяснена», - напоминает Хуанг.

Это не единственный вопрос, на который может ответить нейтрино Майораны. Чрезвычайная легкость частицы, которая примерно в миллион раз легче электрона, уже давно озадачивает физиков.

Редкий прибор для редких распадов

Но определить, являются ли нейтрино своими античастицами, сложно именно потому, что они вообще нечасто взаимодействуют друг с другом. Лучшим инструментом для поиска нейтрино Майораны является гипотетический вид радиоактивного распада, безнейтринный двойной бета-распад. Это когда нейтрон в ядре атома превращается в протон, изменяя химический элемент атома и испуская при этом электрон и антинейтрино.

Охотники за нейтрино работают в уникальной обсерватории глубоко под землей

Двойной бета-распад встречается реже: вместо одного нейтрона в протон превращается два, при этом испускаются два электрона и два антинейтрино. Но если нейтрино является фермионом Майораны, то теоретически это позволит одному "виртуальному" нейтрино, действующему как собственная античастица, занять место обоих антинейтрино в двойном бета-распаде. Только два электрона выйдут из атомного ядра.

Проблема в том, что безнейтринный двойной бета-распад теоретизировался в течение десятилетий, но его никто никогда не видел.

В эксперименте CUORE были предприняты все усилия, чтобы поймать атомы теллура в процессе распада. В эксперименте используется около тысячи особо чистых кристаллов оксида теллура общим весом более 700 кг. Такое количество металла необходимо для того, чтобы хотя бы один нестабильный атом претерпел двойной бета-распад.

Но — теоретически — для этого требуется в миллиарды раз больше времени, чем возраст Вселенной. В каждом из кристаллов, которые использует CUORE, находятся триллионы триллионов атомов теллура, а это значит, что обычный двойной бета-распад происходит в детекторе достаточно регулярно, примерно несколько раз в день.

Что такое двойной бета-распад?

Безнейтринный двойной бета-распад, если он вообще происходит, еще более редок, и поэтому команда CUORE должна прилагать все усилия, чтобы устранить как можно больше источников фонового излучения.

Чтобы защитить детектор от космических лучей, вся система расположена под горой Гран-Сассо. Дополнительное экранирование обеспечивается несколькими тоннами свинца. Но свежедобытый свинец слегка радиоактивен из-за загрязнения ураном и другими элементами, причем эта радиоактивность со временем снижается.

Возможно, самым впечатляющим оборудованием, используемым в CUORE, является криостат, который сохраняет детектор холодным. Чтобы обнаружить безнейтринный двойной бета-распад, температура каждого кристалла в детекторе CUORE тщательно контролируется с помощью датчиков, способных обнаружить изменение температуры на одну десятитысячную градуса Цельсия.

Искомый бета-распад имеет специфическую энергетическую сигнатуру и повышает температуру отдельного кристалла на вполне определенную и узнаваемую величину. Но для того, чтобы сохранить такую чувствительность, детектор должен быть очень холодным - его температура должна составлять около 10 мК, что на сотую долю градуса выше абсолютного нуля.

"Это самый холодный кубический метр в известной Вселенной", - говорит Лаура Марини, сотрудник Научного института Гран-Сассо и координатор проекта CUORE.

Полученная чувствительность детектора поистине феноменальна.

"Когда в Чили и Новой Зеландии происходили сильные землетрясения, мы действительно видели их отблески в нашем детекторе, - поясняет Марини. - Мы также можем видеть волны, разбивающиеся о берег Адриатического моря в 60 километрах от нас. Этот сигнал усиливается зимой, когда бывают штормы".

Еще одно нейтрино через сердце

Несмотря на такую феноменальную чувствительность, CUORE еще не видел доказательств безнейтринного двойного бета-распада.

 

Вместо этого CUORE установил, что в среднем такой распад происходит в одном атоме теллура не чаще, чем раз в 22 триллион триллионов лет.

"Безнейтринный двойной бета-распад, если он будет наблюдаться, станет самым редким процессом, когда-либо наблюдавшимся в природе, с периодом полураспада, более чем в миллион миллиардов раз превышающим возраст Вселенной", - сокрушается Даниэль Спеллер, доцент Университета Джона Хопкинса и член физического совета CUORE.

"Возможно, CUORE недостаточно чувствителен, чтобы обнаружить распад, даже если он произойдет, но это важно проверить. Иногда физика дает неожиданные результаты, и именно тогда мы узнаем больше всего нового".

Даже если CUORE не найдет доказательств безнейтринного двойного бета-распада, он прокладывает путь для следующего поколения экспериментов.

Преемник CUORE, CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID), уже находится в разработке. CUPID будет более чем в 10 раз чувствительнее CUORE, что потенциально позволит ему обнаружить свидетельства существования нейтрино Майораны.

Но независимо от всего остального, CUORE является научным и технологическим триумфом - не только благодаря новым границам скорости безнейтринного двойного бета-распада, но и благодаря демонстрации технологии криостата.

"Это самый большой холодильник такого рода в мире, - говорит Паоло Горла, штатный ученый LNGS и технический координатор CUORE. - И он поддерживается при температуре 10 мК непрерывно уже около трех лет".

Такая технология имеет значение далеко за пределами фундаментальной физики частиц. В частности, она может найти применение в квантовых вычислениях, где поддержание большого количества оборудования в достаточно холодном состоянии и защита от радиации окружающей среды для манипуляций на квантовом уровне являются одной из основных инженерных задач в этой области.

Между тем, CUORE еще не закончил свою работу.

"Мы будем работать до 2024 года, - говорит Буччи. - Мне не терпится увидеть, что мы найдем".

По материалам https://phys.org/

Дата: 07 апреля 2022

Автор: Адам Бекер

Поделиться с друзьями: