Ученые не нашли
следов новой физики в "самоуничтожении" нейтрино
6 апреля 2017
Физикам
из коллаборации GERDA не удалось зафиксировать "безнейтринных" вариантов распада материи, что пока не
позволяет говорить о существовании "новой физики" и наличии у
нейтрино способности уничтожать самих себя, говорится в статье, опубликованной
в журнале Nature.
"Участникам
GERDA впервые удалось получить "чистый" сигнал, не загрязненный
фоновым шумом космических лучей и распадов других элементов. Несмотря на весь
этот прогресс, "безнейтринный" двойной
бета-распад увидеть так и не удалось, что оставляет вопрос природы нейтрино и
существования материи во Вселенной открытым", — прокомментировал открытие
физик Филип Барбо (Phillip Barbeau) из университета
Дьюка в Роли (США).
Нейтрино
представляют собой мельчайшие элементарные частицы, которые
"общаются" с окружающим миром только посредством гравитации и так
называемых слабых взаимодействий, благодаря чему они пролетают фактически через
все остальные формы материи. В середине прошлого века ученые выяснили, что
существует три вида таких частиц — тау, мюонные и электронные нейтрино.
Наблюдения
за Солнцем в 1960 годах и эксперименты лауреатов Нобелевской премии 2015 года,
Артура Макдональда и Такааки Каджиты,
показали, что нейтрино разных сортов умеют периодически превращаться друг в
друга и обладают ненулевой массой, что одновременно "спасло"
Стандартную модель физики и указало на наличие возможных пробелов в ней.
После
открытия нейтринных осцилляций некоторые ученые начали считать, что некоторые
изотопы, к примеру ксенон-136 или германий-76, могут в
крайне редких случаях распадаться особым образом, не выделяя нейтрино при
двойном бета-распаде, спонтанном превращении двух нейтронов в два протона.
Если
такие распады происходят, то нейтрино будет являться так называемым фермионом
Майораны. Иными словами, они будут принадлежать к особому типу элементарных
частиц, которые являются своей собственной античастицей. Подобная природа
нейтрино будет означать, что они будут самоуничтожаться при столкновениях друг
с другом, что необходимо для объяснения того, почему антиматерии
почти нет во Вселенной.
Большая коллаборация российских и зарубежных ученых уже пять лет
пытается "поймать" подобные распады, используя гигантский детектор
GERDA, построенный в шахте Гран-Сассо на севере
Италии в почти полутора километрах под поверхностью планеты. В его работе
активно участвуют физики из Курчатовского института и Института теоретической и
экспериментальной физики РАН в Москве, Объединенного института ядерных
исследований РАН в Дубне, и ряда других ведущих российских научных центров.
Он
представляет собой набор из нескольких сотен диодов, изготовленных из сверхчистого германия-76 общей массой в 38 килограмм. Эти
диоды, одновременно представляющие собой и детекторы, и источники распада,
находятся внутри гигантской капсулы, заполненной сверхчистым жидким аргоном,
которая, в свою очередь, расположена в бассейне из ультраочищенной
воды. В стенки этого бассейна встроены фотодетекторы, предназначенные для
обнаружения вспышек света и электронов, возникающих при двойном бета-распаде
германия-76.
Во
время первого цикла работы GERDA в 2011-2013 годах, ученым удалось добиться
почти полной, но не идеальной изоляции его диодов от внешнего мира. Это не
позволило однозначно доказать, что "безнейтринные"
двойные бета-распады не происходят вообще, но помогло физикам вычислить частоту
их возникновения – 30 раз в миллиард
миллиардов лет (3 на 10 в 25 степени лет).
После
этого GERDA был обновлен, и повышение числа диодов и улучшение их изоляции
позволило отечественным и зарубежным физикам добиться того, что детекторы
"видели" только то, что происходило внутри них самих. По текущим оценкам исследователей, лишь одна
"внешняя" частица света или космический луч могут проникнуть в камеру
за последующую тысячу лет.
Наблюдая
за распадами германия-76 на протяжении шести месяцев с декабря 2015 года,
физики опять не зафиксировали ни одного "безнейтринного"
распада этого элемента. Это подняло нижнюю планку таких событий еще выше – по
текущим оценкам, такие распады могут происходить не чаще, чем 53 раза в
миллиард миллиардов лет.
Означает
ли это, что таких распадов не существует в природе, и что "новая
физика" все же существует? По словам участников GERD, пока об этом
говорить рано, так как "чистые" наблюдения велись крайне недолго по
сравнению с длиной этого своеобразного срока ожидания.
Дальнейшие
наблюдения на GERD, а также строящиеся эксперименты KamLAND-Zen
и EXO, как надеются ученые, помогут пролить свет на этот вопрос и понять,
является ли нейтрино Майорановской частицей или же
нам придется выйти за пределы Стандартной модели для объяснения ее свойств и
того, почему во Вселенной почти нет антиматерии.