|
Новые ограничения на странное поведение нейтрино
|
|
|
|
В лаборатории под горой физики используют кристаллы, которые намного холоднее замороженного воздуха, для изучения призрачных частиц, надеясь узнать секреты зарождения Вселенной. Исследователи Криогенной подземной обсерватории редких явлений (CUORE) объявили на этой неделе, что они наложили одни из самых строгих ограничений на странную возможность того, что нейтрино является собственной античастицей. Нейтрино — очень необычные частицы, настолько эфемерные и настолько вездесущие, что они регулярно проходят через наши тела, не замечая нас.
|
|
|
|
CUORE провел последние три года, терпеливо ожидая, чтобы увидеть доказательства отличительного процесса ядерного распада, возможного только в том случае, если нейтрино и антинейтрино являются одной и той же частицей. Новые данные CUORE показывают, что этот распад не происходит в течение триллионов триллионов лет, если он вообще происходит. Ограничения CUORE на поведение этих крошечных фантомов являются важной частью поиска следующего прорыва в физике элементарных частиц и ядерной физике, а также поиска нашего собственного происхождения.
|
|
|
«В конечном счете, мы пытаемся понять создание материи», — сказал Карло Буччи, исследователь Национальной лаборатории дель Гран-Сассо (LNGS) в Италии и представитель CUORE. «Мы ищем процесс, который нарушает фундаментальную симметрию природы», — добавил Роджер Хуанг, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и один из ведущих авторов нового исследования.
|
|
|
|
CUORE — по-итальянски «сердце» — является одним из самых чувствительных нейтринных экспериментов в мире. Новые результаты CUORE основаны на наборе данных, в десять раз превышающем любой другой поиск с высоким разрешением, собранный за последние три года. CUORE управляется международным исследовательским объединением, возглавляемым Национальным институтом ядерной физики (INFN) в Италии и лабораторией Беркли в США. Сам детектор CUORE расположен почти под милей твердой породы в LNGS, объекте INFN. Ведущую научно-техническую роль в этом эксперименте играют физики-ядерщики, поддерживаемые Министерством энергетики США. Новые результаты CUORE были опубликованы сегодня в журнале Nature.
|
|
|
|
Необычные частицы
|
|
|
|
Нейтрино повсюду — триллионы нейтрино проходят только через ноготь вашего большого пальца, когда вы читаете это предложение. Они невидимы для двух сильнейших сил во Вселенной, электромагнетизма и сильного ядерного взаимодействия, что позволяет им проходить сквозь вас, Землю и почти все остальное, не взаимодействуя. Несмотря на их огромное количество, их загадочная природа делает их очень трудными для изучения и заставляет физиков ломать голову с тех пор, как они были впервые постулированы более 90 лет назад. До конца 1990-х годов даже не было известно, имеют ли нейтрино какую-либо массу — как оказалось, она есть, хотя и не очень большая.
|
|
|
|
Один из многих остающихся открытыми вопросов о нейтрино — являются ли они античастицами самих себя. У всех частиц есть античастицы, их собственный аналог из антиматерии: у электронов есть антиэлектроны (позитроны), у кварков есть антикварки, а у нейтронов и протонов (из которых состоят ядра атомов) есть антинейтроны и антипротоны. Но в отличие от всех этих частиц, нейтрино теоретически могут быть античастицами сами по себе. Такие частицы, которые сами по себе являются античастицами, были впервые постулированы итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году и известны как майорановские фермионы.
|
|
|
|
Если нейтрино — это майорановские фермионы, это могло бы объяснить глубокий вопрос, лежащий в основе нашего собственного существования: почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Нейтрино и электроны — это лептоны, своего рода фундаментальные частицы. Один из фундаментальных законов природы, по-видимому, состоит в том, что количество лептонов всегда сохраняется: если процесс создает лептон, он также должен создать антилептон, чтобы уравновесить его. Точно так же частицы, такие как протоны и нейтроны, известны как барионы, и барионное число также, по-видимому, сохраняется. Однако если бы барионное и лептонное числа всегда сохранялись, то материи во Вселенной было бы ровно столько же, сколько антиматерии, а в ранней Вселенной материя и антиматерия встретились бы и аннигилировали, и мы бы не существовали. Что-то должно нарушать точное сохранение барионов и лептонов. Введите нейтрино: если нейтрино сами по себе античастицы, то лептонное число не должно сохраняться, и наше существование становится гораздо менее загадочным.
|
|
|
|
«Асимметрия материи и антиматерии во Вселенной до сих пор не объяснена», — сказал Хуанг. «Если нейтрино являются их собственными античастицами, это может помочь объяснить это». И это не единственный вопрос, на который может дать ответ майорановское нейтрино. Чрезвычайная легкость нейтрино, примерно в миллион раз легче электрона, уже давно озадачивает физиков элементарных частиц. Но если нейтрино являются античастицами самих себя, то существующее решение, известное как «механизм качелей», могло бы объяснить легкость нейтрино элегантным и естественным образом.
|
|
|
|
Редкое устройство для редких распадов
|
|
|
|
Но определить, являются ли нейтрино античастицами сами по себе, сложно именно потому, что они вообще очень редко взаимодействуют. Лучшим инструментом физиков для поиска майорановских нейтрино является гипотетический вид радиоактивного распада, называемый безнейтринным двойным бета-распадом. Бета-распад — довольно распространенная форма распада некоторых атомов, при которой нейтрон в ядре атома превращается в протон, изменяется химический элемент атома и испускается при этом электрон и антинейтрино. Двойной бета-распад встречается реже: вместо одного нейтрона в протон превращаются два, испуская при этом два электрона и два антинейтрино. Но если нейтрино является майорановским фермионом, то теоретически это позволило бы одному «виртуальному» нейтрино, действующему как собственная античастица, занять место обоих антинейтрино в двойном бета-распаде. Только два электрона могли покинуть атомное ядро. Безнейтринный двойной бета-распад был теоретизирован на протяжении десятилетий, но никогда не наблюдался.
|
|
|
|
Эксперимент CUORE сделал все возможное, чтобы поймать атомы теллура в процессе этого распада. В эксперименте используется около тысячи высокочистых кристаллов оксида теллура общим весом более 700 кг. Это большое количество теллура необходимо, потому что в среднем требуется в миллиарды раз больше, чем нынешний возраст Вселенной, чтобы один нестабильный атом теллура подвергся обычному двойному бета-распаду. Но в каждом из кристаллов, которые использует CUORE, содержатся триллионы триллионов атомов теллура, а это означает, что обычный двойной бета-распад происходит в детекторе довольно регулярно, примерно несколько раз в день в каждом кристалле. Безнейтринный двойной бета-распад, если он вообще происходит, встречается еще реже, и поэтому команда CUORE должна усердно работать, чтобы удалить как можно больше источников фонового излучения. Чтобы защитить детектор от космических лучей, вся система расположена под горой Гран-Сассо, самой большой горой на итальянском полуострове. Дальнейшая защита обеспечивается несколькими тоннами свинца. Но свежедобытый свинец слегка радиоактивный из-за загрязнения ураном и другими элементами, причем эта радиоактивность со временем снижается, поэтому свинец, используемый для окружения наиболее чувствительной части CUORE, в основном представляет собой свинец, извлеченный из затонувшего древнеримского корабля возрастом почти 2000 лет. .
|
|
|
|
Возможно, самым впечатляющим механизмом, используемым в CUORE, является криостат, поддерживающий детектор в холодном состоянии. Для обнаружения безнейтринного двойного бета-распада температура каждого кристалла в детекторе CUORE тщательно контролируется датчиками, способными регистрировать изменение температуры всего на одну десятитысячную градуса Цельсия. Безнейтринный двойной бета-распад имеет специфическую энергетическую сигнатуру и может повысить температуру монокристалла на четко определенную и узнаваемую величину. Но для того, чтобы поддерживать такую чувствительность, детектор должен быть очень холодным, а именно около 10 мК, сотая градуса выше абсолютного нуля. «Это самый холодный кубический метр в известной Вселенной», — сказала Лаура Марини, научный сотрудник Научного института Гран-Сассо и координатор исследований CUORE. Полученная чувствительность детектора поистине феноменальна. «Когда в Чили и Новой Зеландии были сильные землетрясения, мы действительно видели их проблески в нашем детекторе», — сказал Марини. «Мы также можем видеть волны, разбивающиеся о берег Адриатического моря, на расстоянии 60 километров. Этот сигнал усиливается зимой, когда бывают штормы».
|
|
|
|
Нейтрино проходит через сердце
|
|
|
|
Несмотря на такую феноменальную чувствительность, CUORE еще не обнаружил свидетельств безнейтринного двойного бета-распада. Вместо этого CUORE установил, что в среднем этот распад происходит в одном атоме теллура не чаще, чем раз в 22 триллиона 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», — сказала Даниэль Спеллер, доцент Университета Джона Хопкинса. член Совета по физике CUORE. «CUORE может быть недостаточно чувствителен, чтобы обнаружить этот распад, даже если он произойдет, но важно проверить. Иногда физика дает удивительные результаты, и именно тогда мы узнаем больше всего». Даже если CUORE не найдет доказательств безнейтринного двойного бета-распада, он проложит путь для следующего поколения экспериментов. Преемник CUORE, обновление CUORE с идентификацией частиц (CUPID), уже находится в разработке. CUPID будет более чем в 10 раз более чувствителен, чем CUORE, что потенциально позволит ему обнаружить признаки майорановского нейтрино.
|
|
|
|
Но несмотря ни на что, CUORE — это научный и технологический триумф — не только из-за новых ограничений скорости безнейтринного двойного бета-распада, но и из-за демонстрации технологии криостата. «Это самый большой холодильник такого типа в мире», — сказал Паоло Горла, научный сотрудник LNGS и технический координатор CUORE. «И он постоянно поддерживается на уровне 10 мК уже около трех лет». Применение такой технологии выходит далеко за рамки физики элементарных частиц. В частности, он может найти применение в квантовых вычислениях, где поддержание достаточного холода большого количества оборудования и его защита от излучения окружающей среды для манипулирования на квантовом уровне является одной из основных инженерных задач в этой области. Между тем, CUORE еще не завершен. «Мы будем работать до 2024 года», — сказал Буччи. «Я рад видеть, что мы находим».
|
|
|
|
Источник
|
