|
Германиевые детекторы разгадывают тайны Вселенной
|
|
|
|
С тех пор как физик Эрнест Резерфорд открыл атомное ядро в 1911 году, изучение его структуры и поведения оставалось сложной задачей. Более ста лет спустя, даже при наличии современных высокотехнологичных инструментов для исследования ядерной физики, загадок во Вселенной предостаточно.
|
|
|
|
Опираясь на передовые германиевые детекторы, разработанные исследователями из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, научное сообщество изучает неуловимые ядерные процессы, чтобы раскрыть вечные тайны. Ответы на вопросы, которые они надеются разрешить, могут по-новому взглянуть на саму Вселенную. Почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества? Может ли частица быть одновременно и веществом, и антивеществом? Существует ли несоответствие между тем, что произошло в результате Большого взрыва, и тем, что предполагает стандартная модель физики элементарных частиц?
|
|
|
|
Долгое время находясь в авангарде международных усилий по поиску ответов на подобные вопросы, ORNL и сегодня вносит весомый вклад. Дэвид Рэдфорд, руководитель отдела фундаментальной ядерной физики и физики элементарных частиц лаборатории, является всемирно известным экспертом в этой области, который оказал неизгладимое влияние на разработку германиевых детекторов. Важнейшие инструменты для экспериментов на переднем крае фундаментальных физических исследований германиевые детекторы представляют собой крупные монокристаллы германия — металлического элемента, используемые для обнаружения излучения и обеспечения невероятно точных измерений энергии.
|
|
|
|
|
|
|
В настоящее время Рэдфорд руководит частью Крупного эксперимента по двойному бета-распаду с использованием обогащенного германия без использования нейтрино, известного как проект LEGEND-1000 DOE (ЛЕГЕНДА), а ORNL является ведущей лабораторией. LEGEND - это многонациональный, межведомственный проект, который использует германиевые детекторы, чтобы раскрыть больше о неуловимой природе нейтрино. Лучшее понимание нейтрино — самых распространенных частиц, обладающих массой, из известных нам во Вселенной - может помочь раскрыть величайшие тайны физики.
|
|
|
|
В рамках глобального физического эксперимента LEGEND, в котором принимают участие более 250 исследователей из примерно 50 международных организаций, будет использоваться однотонная германиевая детекторная решетка, защищенная от фоновой радиоактивности в подземной лаборатории.
|
|
|
|
На протяжении всей истории исследований двойного бета-распада без участия нейтрино ORNL была ведущей лабораторией в предшествующем эксперименте - демонстраторе Майораны в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте. Мы также участвовали в дружеском соревновании, работая рука об руку с европейским экспериментом GERDA", - сказал Рэдфорд. "Мы вносим большой вклад в разработку и анализ кодов для наших европейских и американских коллег".
|
|
|
|
На протяжении десятилетий Рэдфорд принимал ключевое участие во многих важных международных проектах по созданию германиевых детекторов, включая Majorana, GRETA и GRETINA. Чтобы расширить возможности для изучения структуры ядра и ядерной астрофизики, он внес значительный вклад в разработку и использование германиевых детекторов, поскольку за десятилетия эти сложные научные приборы выросли как в размерах, так и в эффективности.
|
|
|
|
"После того, как эксперименты GERDA и Majorana увенчались успехом, мы объединили сотрудничество — европейское и американское — и создали LEGEND collaboration. ORNL разработала конструкцию детектора, которая используется в LEGEND", - сказал Рэдфорд.
|
|
|
|
История германиевого детектора
|
|
|
|
С 1960-х годов неизменным элементом в этой непрекращающейся погоне за неуловимыми знаниями о субатомных элементах был химический элемент германий. Германий, расположенный в углеродной колонке периодической таблицы Менделеева между кремнием и оловом, обладает свойствами как металлов, так и неметаллов. Дмитрий Менделеев предсказал его наличие в 1869 году, а Клеменс Винклер определил его в образце минерала в 1886 году, назвав в честь своей национальности. Однако прошло полвека, прежде чем были открыты и освоены многие из его потенциальных применений.
|
|
|
|
Во время Второй мировой войны германий в основном использовался в точечных контактных диодах для обнаружения радиолокационных импульсов. После войны, с 1950-х по начало 1970-х годов, развитие германия в качестве полупроводника в транзисторах проложило путь к его использованию в твердотельной электронике, пока он не был заменен своим более распространенным и менее дорогим соседом по периодической таблице менделеева - кремнием. Впоследствии германий также использовался в волоконной оптике, солнечных панелях, очках ночного видения, катализаторах полимеризации пластмасс и инфракрасной оптике тепловизионных камер и сканеров службы безопасности аэропортов.
|
|
|
|
Однако германиевые детекторы, впервые изготовленные из монокристалла германия высокой чистоты, появились только в середине 1960-х годов. Эти новаторские инструменты положили начало новому методу исследований для физиков-ядерщиков: гамма-спектроскопии высокого разрешения.
|
|
|
|
Этот процесс определяет структуру ядер или изотопный состав материалов путем анализа спектров гамма-излучения — поиск уникальных отпечатков гамма-излучения, которыми обладают атомные ядра. Германий оказался идеальным для использования в гамма-спектроскопии благодаря эффективному балансу между высокой эффективностью обнаружения и высоким энергетическим разрешением.
|
|
|
|
Когда ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с более низкой энергией, оно обычно испускает гамма-излучение — форму электромагнитного излучения с самой высокой энергией, которая при определенных условиях является наблюдаемой и характерной для начального и конечного квантовых состояний. В этом и заключается суть исследования.
|
|
|
|
Джеймс "Митч" Оллмонд, научный сотрудник ORNL, изучает ядерную физику низких энергий и ядерную астрофизику, надеясь лучше понять поведение, которое возникает в ядрах по мере их удаления от "долины стабильности", где находятся стабильные долгоживущие ядра. В новейшем пользовательском центре DOE, центре получения пучков редких изотопов, или FRIB, Мичиганского государственного университета, Оллмонд руководит текущим проектом FRIB Decay Station initiator. Его особенно интересует, как меняется структура ядра — организация протонов и нейтронов внутри атомного ядра — для экзотических радиоактивных изотопов. По мере того, как эти ядра становятся все более нестабильными, наблюдаются новые явления.
|
|
|
|
Обычно эти редкие изотопы существуют только в звездах или во время таких событий, как слияние звезд или вспышка сверхновых, которые приводят к нуклеосинтезу — процессу, при котором более легкие ядра используются в качестве строительных блоков для создания новых, часто более тяжелых атомных ядер. Внутри образовавшихся звезд вновь начался нуклеосинтез, в результате которого в результате различных процессов синтеза образовались более тяжелые элементы. С помощью германиевых детекторов компания Allmond может изучать эти редкие изотопы, выдвигать теории о том, что происходит в звездах, и лучше понимать изобилие элементов на Земле.
|
|
|
|
"Мы действительно пытаемся понять структуру атомных ядер, которые представляют собой квантовые системы", - сказал Оллмонд, который является как экспериментатором, так и теоретиком. "Они могут возбуждаться и распадаться. Часто они распадаются под действием гамма-лучей, а часто и более чем одного. В конечном счете, мы пытались измерить множество гамма-лучей, испускаемых одновременно атомными ядрами, чтобы лучше понять структуру ядра и то, как это также влияет на астрофизику и нуклеосинтез".
|
|
|
|
На протяжении десятилетий ученые разрабатывали все более совершенные германиевые детекторные матрицы. В 1990-х годах Рэдфорд значительно усовершенствовал конструкцию точечного контакта, увеличив площадь контакта за счет того, что он назвал "инвертированным коаксиальным" подходом, что позволило использовать гораздо более крупный германиевый детектор, экспоненциально увеличивая возможности наблюдения за целевыми явлениями.
|
|
|
|
"Если нейтрино является так называемой майорановской частицей, то оно является собственным антинейтрино", - сказал Рэдфорд. "Это означает, что антинейтрино и нейтрино на самом деле являются одной и той же частицей и что должен произойти двойной бета-распад без участия нейтрино. Это то, что мы ищем.
|
|
|
|
"Если мы увидим это, то будем знать, что лептонное число [разница между числом лептонов и числом антилептонов, которая помогает классифицировать частицы и взаимодействия] не сохраняется. Это дает нам возможный способ объяснить дисбаланс вещества и антиматерии, возникший в результате Большого взрыва. Это кардинально изменило бы стандартную модель и, возможно, даже объяснило бы, как мы существуем."
|
|
|
|
Ведущие исследователи, такие как Рэдфорд и Оллмонд, стремятся к прорывам в области ядерных исследований с низким энергопотреблением и двойного бета-распада без использования нейтрино и рассчитывают, что в обозримом будущем они продолжат использовать германиевые детекторы — как в ORNL, так и в других местах.
|
|
|
|
Тем временем, по мере того как почти дюжина международных экспериментов проводится в поисках неуловимого майорановского нейтрино, появились другие технологии детекторов. В конкурирующих подходах используются изотопы ксенона, молибдена и теллура. Однако Рэдфорд утверждает, что германий остается предпочтительным материалом для крупных совместных проектов, таких как LEGEND. По мнению Рэдфорда, это совместное, непрерывное стремление к упорно ускользающему двойному бета—распаду без участия нейтрино — попытка углубить фундаментальные научные знания о Вселенной - основа нашего существования. Он отождествляет поиск этих знаний с картинами, которые создает его жена Кэти, прекрасная художница.
|
|
|
|
"Искусство - это культурная деятельность; человечество нуждается в искусстве", - сказал Рэдфорд. "Человечество должно видеть красоту вокруг нас, видеть вещи, которые бросают нам вызов и заставляют думать и удивляться. Я думаю, что наука, которой мы занимаемся, такая же. Мы любопытны. Мы, как люди, хотим понять окружающий нас мир, понять, как мы оказались здесь и как устроен мир. Это одна из тех вещей, к которым мы стремимся. Для меня большая честь сыграть в этом какую-то роль goal...to понять, почему мы здесь, как устроена вселенная."
|
|
|
|
Источник
|
