Цього тижня дослідники з Кріогенної підземної обсерваторії рідкісних явищ (CUORE) оголосили, що вони встановили найсуворіші обмеження на ймовірність того, що нейтрино є своєю власною античастинкою.
Нейтрино - цікаві незвичайні частинки, настільки всюдисущі, що регулярно проходять через наші тіла, не помічаючи нас.
Останні три роки CUORE терпляче чекала на докази процесу ядерного розпаду, який можливий тільки в тому разі, якщо нейтрино й антинейтрино є однією і тією ж частинкою. Нові дані обсерваторії показують, що такий розпад, якщо і можливий, то протягом десятків мільйонів і трильйонів років, якщо він взагалі відбувається.
Отримані CUORE дані вже вважаються науковим проривом у ядерній фізиці. Крім того, вчені вважають, що через деякий час вони зможуть пояснити, звідки "все сталося" і до чого нам готуватися.
Зрештою, ми намагаємося зрозуміти процес створення матерії", - каже Карло Буччі, дослідник із Лабораторії Гран Сассо (LNGS) в Італії та представник CUORE.
"Ми шукаємо процес, який порушує фундаментальну симетрію природи", - додає Роджер Хуанг, постдокторант Національної лабораторії імені Лоренса Берклі Міністерства енергетики США і один із провідних авторів нового дослідження.
CUORE - італійською "серце" - є одним із найчутливіших нейтринних експериментів у світі. Нові результати лабораторії засновані на наборі даних, зібраних за останні три роки.
CUORE працює в рамках міжнародного дослідницького проєкту, очолюваного Національним інститутом фізичної ядерної фізики (INFN) в Італії та Лабораторією Берклі в США.
Сам детектор обсерваторії розташований під майже кілометровим шаром твердої породи в LNGS, об'єкті INFN. Провідну науково-технічну роль у цьому експерименті відіграють фізики-ядерники. Нові результати роботи CUORE були опубліковані в журналі Nature.
Незвичайні частинки
Нейтрино є скрізь. Вони невидимі для двох найсильніших сил у Всесвіті, електромагнетизму і сильної ядерної взаємодії, що дає їм змогу вільно проникати крізь нас, Землю, будь-яку матерію.
Незважаючи на їхню величезну кількість, вони дуже важкі для вивчення, що змушує фізиків ламати голову над методиками вимірювань. Про експерименти ми вже не говоримо.
До кінця 1990-х років навіть не було відомо, чи мають нейтрино взагалі масу - як виявилося, мають, хоча і не дуже велику.
Одне з багатьох відкритих питань, що залишаються, - чи є вони своїми античастинками. У всіх частинок є античастинки, їхні власні антиматеріальні двійники: в електронів є позитрони, у кварків - антикварки, а в нейтронів і протонів - антинейтрони й антипротони.
Але на відміну від усіх цих частинок, теоретично можливо, що нейтрино є атичастинками самих себе. Така ймовірність була вперше постульована італійським фізиком Етторе Майораною 1937 року. Вони відомі як ферміони Майорани.
Якщо нейтрино не відрізняються від ферміонів Майорани, це пояснює глибоке питання, що лежить в основі нашого існування: чому у Всесвіті набагато більше матерії, ніж антиматерії?
Нейтрино й електрони - це лептони, свого роду фундаментальні частинки. Один із фундаментальних законів природи полягає в тому, що кількість лептонів завжди зберігається - якщо створюється лептон, виникає й антилептон, щоб урівноважити його.
Аналогічно, кількість баріонів також зберігається. Однак якби кількість баріонів і лептонів завжди зберігалася, то у Всесвіті було б рівно стільки ж матерії, скільки й антиматерії, а в ранньому Всесвіті матерія й антиматерія зустрілися б і анігілювали, а нас би не існувало.
Щось має порушити точне збереження баріонів і лептонів. Введемо нейтрино: якщо нейтрино є власними античастинками, то лептонне число не повинно зберігатися, і наше існування стає набагато менш загадковим.
"Асиметрія матерії та антиматерії у Всесвіті досі не пояснена", - нагадує Хуанг. Це не єдине питання, на яке може відповісти нейтрино Майорани. Надзвичайна легкість частинки, яка приблизно в мільйон разів легша за електрона, вже давно спантеличує фізиків.
Рідкісний прилад для рідкісних розпадів
Але визначити, чи є нейтрино своїми античастинками, складно саме тому, що вони взагалі нечасто взаємодіють одне з одним. Найкращим інструментом для пошуку нейтрино Майорани є гіпотетичний вид радіоактивного розпаду, безнейтринний подвійний бета-розпад. Це коли нейтрон у ядрі атома перетворюється на протон, змінюючи хімічний елемент атома і випромінюючи при цьому електрон і антинейтрино.
Подвійний бета-розпад трапляється рідше: замість одного нейтрона на протон перетворюється два, при цьому випускаються два електрони і два антинейтрино. Але якщо нейтрино є ферміоном Майорани, то теоретично це дасть змогу одному "віртуальному" нейтрино, що діє як власна античастинка, посісти місце обох антинейтрино в подвійному бета-розпаді. Тільки два електрони вийдуть з атомного ядра.
Проблема в тому, що безнейтринний подвійний бета-розпад теоретизувався протягом десятиліть, але його ніхто ніколи не бачив. В експерименті CUORE були зроблені всі зусилля, щоб зловити атоми телуру в процесі розпаду. В експерименті використовується близько тисячі особливо чистих кристалів оксиду телуру загальною вагою понад 700 кг. Така кількість металу необхідна для того, щоб хоча б один нестабільний атом зазнав подвійного бета-розпаду.
Але - теоретично - для цього потрібно в мільярди разів більше часу, ніж вік Всесвіту. У кожному з кристалів, які використовує CUORE, містяться трильйони трильйонів атомів телуру, а це означає, що звичайний подвійний бета-розпад відбувається в детекторі досить регулярно, приблизно кілька разів на день.
Безнейтринний подвійний бета-розпад, якщо він узагалі відбувається, ще більш рідкісний, і тому команда CUORE повинна докладати всіх зусиль, щоб усунути якомога більше джерел фонового випромінювання.
Щоб захистити детектор від космічних променів, вся система розташована під горою Гран-Сассо. Додаткове екранування забезпечується кількома тоннами свинцю. Але свіжовидобутий свинець злегка радіоактивний через забруднення ураном та іншими елементами, причому ця радіоактивність з часом знижується.
Можливо, найбільш вражаючим обладнанням, що використовується в CUORE, є кріостат, який зберігає детектор холодним. Щоб виявити безнейтринний подвійний бета-розпад, температура кожного кристала в детекторі CUORE ретельно контролюється за допомогою датчиків, здатних виявити зміну температури на одну десятитисячну градуса Цельсія.
Шуканий бета-розпад має специфічну енергетичну сигнатуру і підвищує температуру окремого кристала на цілком певну і впізнавану величину. Але для того, щоб зберегти таку чутливість, детектор має бути дуже холодним - його температура має становити близько 10 мК, що на соту частку градуса вище абсолютного нуля.
"Це найхолодніший кубічний метр у відомому Всесвіті", - каже Лаура Маріні, співробітниця Наукового інституту Гран-Сассо і координаторка проєкту CUORE. Отримана чутливість детектора воістину феноменальна".
"Коли в Чилі та Новій Зеландії відбувалися сильні землетруси, ми дійсно бачили їхні відблиски в нашому детекторі, - пояснює Маріні. - Ми також можемо бачити хвилі, що розбиваються об берег Адріатичного моря за 60 кілометрів від нас. Цей сигнал посилюється взимку, коли бувають шторми".
Ще одне нейтрино через серце
Незважаючи на таку феноменальну чутливість, CUORE ще не бачив доказів безнейтринного подвійного бета-розпаду.
Натомість CUORE встановив, що в середньому такий розпад відбувається в одному атомі телуру не частіше, ніж раз на 22 трильйони трильйонів років.
"Безнейтринний подвійний бета-розпад, якщо його спостерігатимуть, стане найрідкіснішим процесом, який будь-коли спостерігали в природі, з періодом напіврозпаду, який у понад мільйон мільярдів разів перевищує вік Всесвіту", - засмучується Даніель Спеллер, доцент Університету Джона Гопкінса і член фізичної ради CUORE.
"Можливо, CUORE недостатньо чутливий, щоб виявити розпад, навіть якщо він відбудеться, але це важливо перевірити. Іноді фізика дає несподівані результати, і саме тоді ми дізнаємося найбільше нового".
Навіть якщо CUORE не знайде доказів безнейтринного подвійного бета-розпаду, він прокладає шлях для наступного покоління експериментів.
Наступник CUORE, CUORE Upgrade with Particle Identification (CUPID), уже перебуває в розробці. CUPID буде більш ніж у 10 разів чутливішим за CUORE, що потенційно дасть йому змогу виявити свідчення існування нейтрино Майорани.
Але незалежно від усього іншого, CUORE є науковим і технологічним тріумфом - не тільки завдяки новим межам швидкості безнейтринного подвійного бета-розпаду, а й завдяки демонстрації технології кріостата.
"Це найбільший холодильник такого роду у світі, - каже Паоло Горла, штатний вчений LNGS і технічний координатор CUORE. - І він підтримується при температурі 10 мК безперервно вже близько трьох років".
Така технологія має значення далеко за межами фундаментальної фізики частинок. Зокрема, вона може знайти застосування в квантових обчисленнях, де підтримання великої кількості обладнання в досить холодному стані та захист від радіації довкілля для маніпуляцій на квантовому рівні є одним з основних інженерних завдань у цій галузі.
Тим часом, CUORE ще не закінчив свою роботу.
"Ми працюватимемо до 2024 року, - каже Буччі. - Мені не терпиться побачити, що ми знайдемо".
За матеріалами https://phys.org/
