Невдовзі стартує експеримент із перевірки гіпотези про майоранівські нейтрино

Наприкінці травня відбудеться офіційне відкриття підземної лабораторії в Південній Дакоті, де фізики спробують зареєструвати безнейтринний подвійний бета-розпад і з’ясувати, чи є нейтрино власною античастинкою.

Фізики завершують підготовчі роботи за проєктом MAJORANA, спрямованим на перевірку гіпотези про майоранівську природу нейтрино.

Урочисте відкриття підземної лабораторії в Блек-Гіллс (Південна Дакота), де розмістять обладнання MAJORANA, призначено на 30 травня. Невдовзі після цього колаборація, до якої входять понад 100 учених зі США, Канади, Росії та Японії, планує розпочати експерименти.

Майоранівськими, нагадаємо, називають частинки, тотожні своїм античастинкам. Такі властивості мають бозони (наприклад, нейтральний піон або фотон), але зібрати переконливі докази існування майоранівських ферміонів фізикам поки не вдається. Зовсім нещодавно провели дослід, у якому зареєстрували сліди ферміонів такого типу, проте тоді йшлося про квазічастинки, а не про елементарні частинки, які розглядав у своїх працях сам Етторе Майорана.

Фізики намагалися показати, що нейтрино — фундаментальні частинки — є майоранівськими ферміонами, ще у ХХ столітті. Надійним експериментальним свідченням вони вважали (і далі вважають) спостереження вкрай рідкісного виду радіоактивного розпаду — безнейтринного подвійного бета-розпаду, для якого майоранівська природа нейтрино є однією з необхідних умов. Хоча на початку двотисячних наукова група «Гайдельберґ — Москва» уже заявляла про реєстрацію цього явища, повірили їй далеко не всі.

Тут варто трохи розповісти про сам безнейтринний подвійний бета-розпад. Звичайний бета-розпад, як можуть пам’ятати наші читачі, супроводжується зміною заряду ядра на одиницю та випромінюванням електрона або позитрона й антинейтрино або нейтрино, добре вивчений і спостерігається без жодних проблем. Зафіксувати його значно рідкісніший подвійний різновид, що характеризується перетворенням двох нейтронів у ядрі на протони та випромінюванням двох електронів і двох антинейтрино, набагато складніше; фізики досягли успіху лише в 1986-му. Подвійному бета-розпаду піддається зовсім невелика кількість ізотопів, об’єднаних спільною властивістю: вони мають бі́льшу енергію зв’язку ядра, ніж їхні сусіди в періодичній таблиці зі збільшеним на одиницю атомним номером, і меншу енергію зв’язку, ніж ядра з атомним номером, збільшеним на два. У такій ситуації «одинарний» бета-розпад енергетично заборонений, тоді як подвійний — дозволений.

Класичним прикладом ізотопу, схильного до подвійного бета-розпаду, вважається германій-76 (атомне число Z = 32), який не може перетворитися на арсен-76 із Z = 33, але здатний перейти в селен-76 із Z = 34. Розпади ⁷⁶Ge реєструють із дев’яностих років минулого століття; виміряний період його напіврозпаду становить ~1,3•10²¹ років, тобто приблизно в сто мільярдів разів перевищує вік Всесвіту.

Безнейтринний розпад має відбуватися ще рідше й, цілком відповідно до назви, не супроводжуватиметься вильотом антинейтрино. «Важливо, що він, серед іншого, порушує одне з базових положень Стандартної моделі фізики частинок — закон збереження загального лептонного числа, — зауважує учасник MAJORANA Алан Пун (Alan Poon) із Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі. — Оскільки електрони належать до лептонів, подвійний бета-розпад, у якому народжуються два електрони, збільшує лептонне число на два, але при цьому з’являється ще й пара антинейтрино з від’ємними числами. У підсумку отримуємо нуль — збереження. Натомість у безнейтринному випадку лептонне число змінюється на дві одиниці».

Безнейтринний варіант розпаду також можливий лише за умови зміни спіральності (проєкції спіну на напрямок імпульсу) нейтрино. Можливість такої зміни своєю чергою безпосередньо пов’язана з питанням маси цієї частинки. За ненульової маси вона має рухатися повільніше за світло, а це означає, що її завжди можна «обігнати», перейшовши в нову систему відліку, яка рухається швидше. Оскільки імпульс у цій системі спрямований протилежно до початкового, разом із ним зміниться й спіральність. Отже, якщо фізики зуміють визначити, як часто відбувається безнейтринний подвійний бета-розпад, вони також оцінять масу нейтрино.

Схеми звичайного (угорі) та безнейтринного подвійних бета-розпадів (ілюстрація Berkeley Lab).

Співробітники колаборації MAJORANA планують створити установку з напівпровідниковими детекторами на основі германію (збагаченого ізотопом ⁷⁶Ge) загальною масою ~1 т. Тривалі спостереження на ній дадуть високу ймовірність реєстрації безнейтринного розпаду. Проте спочатку експериментаторам потрібно встановити, чи можна знизити природний фон до прийнятних значень. Саме цим вони займатимуться на першій стадії експерименту, названій MAJORANA DEMONSTRATOR, яка потребує «лише» 40 кілограмів надчистого германію, 30 із яких буде збагачено ⁷⁶Ge до рівня 86%.

Шар гірських порід завтовшки понад кілометр має, за планом, захистити детектори від зовнішнього впливу космічних променів, а кілька шарів міді та свинцю — від природної радіоактивності порід. Якщо це дасть змогу пригнітити фон, виділити сигнал безнейтринного подвійного бета-розпаду — появу двох електронів із сумарною енергією 2,039 МеВ — буде не так складно.

На початковому етапі експерименту MAJORANA доведеться конкурувати з проєктом GERDA. Тут також використовують германієві детектори, змонтовані в підземній італійській Національній лабораторії Ґран-Сассо, але захист організовано за іншим принципом — за допомогою рідкого аргону та води. «Ми порівняємо результати вимірювань і з’ясуємо, який метод пригнічення фону працює краще, а під час будівництва однотонного детектора, можливо, об’єднаємо зусилля», — ділиться планами пан Пун.

Окремі германієві детектори компонують у вигляді «ниток», після чого завантажують у захищений свинцем і міддю об’єм установки MAJORANA DEMONSTRATOR (ілюстрація Berkeley Lab).

Підготовлено за матеріалами Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.