Глубоко под горой Gran Sasso в Италии, почти под двумя километрами горных пород, находится физическая лаборатория, в которой установлено оборудование эксперимента CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events). Этот эксперимент, находящийся сейчас на стадии реализации, должен дать ученым некоторые подсказки насчет одного из фундаментальных вопросов – почему в изученной нами части Вселенной наблюдается только обычная материя, ведь, согласно теории, в мире должно находиться равное количество материи и антиматерии?

У каждой субатомной частицы имеется антипод – частица с такой же массой и противоположным электрическим зарядом, у электрона – позитрон, у протона – антипротон, у нейтрона – антинейтрон и т.д. Исключением из этого являются лишь майорановские фермионы, которые являются одновременно частицами и античастицами, и фотоны света.

Современные астрофизические теории указывают на то, что во время Большого Взрыва во Вселенной должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Однако, то, что мы наблюдаем во Вселенной сегодня никак не укладывается в эту теорию. Причина дисбаланса между количеством материи и антиматерии пока еще не определена, но некоторые ученые подозревают, что ответ на этот вопрос может заключаться в природе частиц нейтрино, почти невесомых субатомных частиц, которые, подобно фотонам, могут вести себя, подобно собственным античастицам. Если нейтрино являются одним из видов майорановских фермионов, то, возможно, огромное количество этих частиц распалась ассиметричным образом на самой ранней стадии существования Вселенной, положив начало дисбалансу количества материи и антиматерии.

Эксперимент CUORE, рассчитанный на пять лет реализации был начат в январе этого года. В нем задействовано 150 ученых преимущественно из Италии и Соединенных Штатов. А целью этого эксперимента является выяснение того, являются ли нейтрино своими собственными античастицами?

Оборудование эксперимента CUORE рассчитано на регистрацию чрезвычайно редкого вида безнейтринного двойного бета-распада. Иногда две частицы нейтрино синхронно распадаются, образуя два протона, два нейтрона и два антинейтрино. Однако, еще реже, с учетом того, что нейтрино и антинейтрино являются одной и той же самой частицей, два антинейтрино должны аннигилировать друг с другом и процесс распада обретает «безнейтринный» характер.

Распад нейтрино может наблюдаться внутри некоторых материалов, к примеру, теллура. Однако безнейтринный распад – это столь редкое явление, что в расчете на один атом теллура он может наблюдаться не чаще, чем один раз в несколько септиллионов (миллион миллиардов миллиардов) лет. И даже в таком случае «подпись» такого вида распада обнаружить достаточно трудно, так как его основной энергетический всплеск лежит на отметке около 2.4 МэВ, меньше, чем одна тысячная от одной миллиардной доли джоуля.

Для ограждения от внешних помех датчиков эксперимента CUORE, которые способны уловить малейшие энергетические всплески, оборудование расположено глубоко под землей. Помимо этого, рабочая область эксперимента является самым холодным кубическим метром во Вселенной, специальный холодильник охлаждает рабочую область до температуры всего на семь тысячных градуса выше точки абсолютного нуля. В этой охлаждаемой области размещены 988 кристаллов диоксида теллура, в которых находится в общей сложности порядка 100 септиллионов атомов теллура. И специальные высокочувствительные датчики постоянно регистрируют данные, в которых ищется крошечный температурный всплеск, соответствующий безнейтринному двойному бета-распаду.

За два месяца наблюдений еще не было зарегистрировано ни единого подходящего всплеска. Это и другие данные уже позволили ученым сделать выводы, что такой распад случается не чаще, чем раз в 10 септиллионов лет в расчете на один атом теллура. Это же, в свою очередь, позволяет рассчитывать, что на протяжении следующих пяти лет будет зарегистрировано минимум пять случаев такого уникального вида распада. Если это произойдет, то ученые не только получат доказательства, что нейтрино являются собственными античастицами, это укажет на нарушение закона сохранения числа лептонов, определенного Стандартной Моделью физики элементарных частиц. Тем не менее, если эксперимент CUORE не добудет желаемых результатов, эстафету поисков перехватит очередной эксперимент под названием CUPID, в рабочей области которого будет находиться еще большее количество атомов. Но если и второй эксперимент не даст результатов, это уже будет результатом само по себе и это даст ученым в руки путь для поиска окончательного ответа на фундаментальный вопрос, озвученный в самом начале.