Физики из группы NEXT предложили новый способ отслеживать ионы Ba++, которые образуются в жидком ксеноне в ходе двойного безнейтринного бета-распада. Способ основан на флуоресцентной визуализации отдельных молекул, степень достоверности детектирования отдельных ионов достигает 13σ. Работа ученых позволит увеличить массу детекторов по поиску двойного безнейтринного бета-распада и повысит вероятность найти проявления майорановской природы частиц. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы можно найти на сайте arXiv.org.

Все фермионы Стандартной модели — частицы со спином ½ — подчиняются уравнению Дирака, то есть являются дираковскими частицами. Это значит, что у каждого фермиона существует аналог среди античастиц, который имеют ту же массу и спин, но отличаются от «оригинала» знаками заряда, лептонного числа и других характеристик. Например, позитрон — античастица электрона — имеет положительный, а не отрицательный заряд. Тем не менее, в середине 1930-х годов итальянский физик Этторе Майорана обнаружил, что при упрощении уравнения Дирака возникает новый класс частиц, которые являются собственными античастицами, — так называемые майорановские фермионы.

Сейчас майорановские фермионы хорошо изучены теоретически, а в июле 2017 года физики впервые увидели майорановские квазичастицы. Впрочем, доказательств существования реальных майорановских фермионов пока еще нет. Основным кандидатом на эту роль сейчас является нейтрино — частицы, которые очень редко вступают во взаимодействие с веществом и имеют очень маленькую, но не нулевую массу. Если ученым удастся доказать, что нейтрино действительно имеют майорановскую природу, это разрешит загадку их маленькой массы и позволит объяснить дисбаланс между материей и антиматерией, заполняющими Вселенную. Поэтому сейчас физики проводят сразу несколько экспериментов, которые ищут проявления майорановской природы нейтрино.

Основной процесс, на котором основаны подобные эксперименты — это двойной безнейтринный бета-распад (краткое обозначение 0νββ: 0 нейтрино, две бета-частицы). Напомним, что в ходе обычного бета-распада свободный или связанный в ядре нейтрон превращается в протон, параллельно испуская позитрон и электронное антинейтрино; в ходе двойного бета-распада подобное превращение происходит с двумя нейтронами одновременно, и ядро излучает сразу два электрона и два антинейтрино. Однако если нейтрино являются собственными античастицами, они могут аннигилировать сразу же после рождения, и экспериментаторы увидят только электроны. К сожалению, вероятность 0νββ очень низка — так, оценки, полученные на основании космологических данных или наблюдений за осцилляциями нейтрино, дают нижнюю границу для периода подобного полураспада порядка 1027 лет.

Текущие эксперименты по прямому детектированию 0νββ приближаются к этому пределу, но пока еще не могут его достичь. С одной стороны, для увеличения вероятности ученым нужно наращивать массу детекторов — очевидно, чтобы увидеть хотя бы один 0νββ за год, в эксперименте должно участвовать не менее 1027 частиц. С другой стороны, необходимо точно отслеживать движение каждой частицы и отсекать фоновые процессы, чтобы не пропустить момент, когда двойной безнейтринный бета-распад действительно произойдет. Удобнее всего использовать для этих целей ксенон-136, который превращается при 0νββ в барий-136 — этот изотоп не образуется в ксеноне в ходе других радиоактивных распадов, а потому спутать его ни с чем нельзя. Правда, отследить движение образовавшихся ионов Ba++ сложно из-за их большой массы.

В этой статье группа NEXT описывает новый способ, который позволяет с хорошей точностью отслеживать отдельные ионы Ba++ в ксеноне. Для этого ученые предлагают использовать метод флуоресцентной визуализации отдельных молекул (Single molecule fluorescence imaging, SMFI), который используется биохимиками для отслеживания отдельных молекул в объеме живых клеток. Этот метод использует краситель, который в обычных условиях не может излучать свет, но начинает флуоресцировать при образовании хелатного соединения с ионом нужного типа. В качестве подобных красителей ученые выбрали вещества Fluo-3 и Fluo-4, свойства которых они исследовали в предыдущей работе. При образовании соединения с ионом Ba++ эти красители начинают излучать на длине волны около 500 нанометров.

Пример изображения, записанного камерой. Яркие точки отвечают ионам, расположенным вблизи поверхности образца, тусклые точки — более далеким ионам. NEXT Collaboration / Phys. Rev. Lett.

Чтобы проверить предложенный способ, ученые сильно разбавили бариевую соль и добавили в нее краситель. Затем физики возбуждали атомы с помощью лазерного излучения в диапазоне от 350 до 2350 нанометров, фокусировались на отдельных участках образца размером 35 × 35 микрометров и записывали картинку на чувствительную камеру (Hamamatsu ImagEM X2 EM-CCD) в течение шести минут с шагом по времени около 0,5 секунды. 

В результате оказалось, что отдельные ионы бария действительно можно увидеть с помощью предложенного учеными метода — их излучение заметно выделялось на фоновом излучении даже тогда, когда ионы находились в глубине образца. Статистическая значимость подобных событий достигала величины ~ 13σ, то есть вероятность ошибки ~ 10−38. Таким образом, предложенный процесс можно будет использовать для поиска двойного безнейтринного распада в жидком ксеноне, находящемся под высоким давлением — его высокая точность и удобство позволят довести массу детектора до нескольких тонн и продлить срок наблюдения до нескольких лет, что увеличит вероятность обнаружить проявления майорановской природы нейтрино.

Интенсивность сигнала, приходящего от иона бария (красные точки), и фонового сигнала (черные точки). NEXT Collaboration / Phys. Rev. Lett.

В августе 2016 года группа KamLAND-Zen опубликовала данные по поиску двойного безнейтринного бета-распада атомов ксенона-136. За пять лет наблюдений ученые не увидели ни одного такого процесса, что позволило им установить самые точные (на тот момент) ограничения на период полураспада атомов ксенона-136 в безнейтринный канал — нижняя оценка для него составила примерно 1026 лет. Аналогичные результаты, связанные с двойным безнейтринным бета-распадом атомов теллура-130, опубликовала в октябре 2017 года группа CUORE — по их оценкам, период полураспада таких атомов не может быть меньше 2,7×10²¹ лет. 

Автор: Дмитрий Трунин