Ученые не нашли следов новой физики в «самоуничтожении» нейтрино


МОСКВА, 6 апр – . 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).

Загадка Майораны

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.

Свет в конце тоннеля

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).

Германиевый детектор GERDA, ищущий редчайшие варианты распада материи

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.

ria.ru