Физики завершают подготовительные работы по проекту MAJORANA, направленному на проверку гипотезы о майорановской природе нейтрино.

Торжественное открытие подземной лаборатории в Блэк-Хиллс (Южная Дакота), где разместится оборудование MAJORANA, назначено на 30 мая. Вскоре после этого коллаборация, в которую входят более 100 учёных из США, Канады, России и Японии, планирует приступить к экспериментам.

Рис. 1. Шахта, в которой будут проводиться эксперименты по регистрации безнейтринного двойного бета-распада. Левый туннель ведёт к установке MAJORANA DEMONSTRATOR, а правый — к детектору LUX, предназначенному для поиска частиц тёмной материи. В шестидесятых годах ХХ века в камере, которую сейчас занимает LUX, работал лауреат Нобелевской премии Раймонд Дэвис, чьи опыты в итоге привели к открытию нейтринных осцилляций. (Фото Matt Kapust).

Майорановскими, напомним, называют частицы, тождественные своим античастицам. Такими свойствами обладают бозоны (к примеру, нейтральный пион или фотон), но собрать убедительные доказательства существования майорановских фермионов физикам пока не удаётся. Конечно, совсем недавно мы рассказывали об опыте, в котором были зарегистрированы следы фермионов такого типа, но речь тогда шла о квазичастицах, а не об элементарных частицах, рассматриваемых в работах самого Этторе Майораны.

Попытки показать, что нейтрино — фундаментальные частицы — представляют собой майорановские фермионы, физики предпринимали ещё в ХХ веке.

Надёжным экспериментальным свидетельством они считали (и продолжают считать) наблюдение редчайшего вида радиоактивного распада — безнейтринного двойного бета-распада, для которого майорановская природа нейтрино входит в список необходимых условий. Хотя в начале двухтысячных научная группа «Гейдельберг — Москва» уже заявляла о регистрации этого явления, поверили ей далеко не все.

Здесь стоит немного рассказать о собственно безнейтринном двойном бета-распаде. Обычный бета-распад, как могут помнить наши читатели, сопровождается изменением заряда ядра на единицу и испусканием электрона или позитрона и антинейтрино или нейтрино, прекрасно изучен и наблюдается без каких-либо проблем. Зафиксировать его намного более редкую двойную разновидность, которая характеризуется преобразованием двух нейтронов в ядре в протоны и испусканием двух электронов и двух антинейтрино, гораздо сложнее, и успеха физики добились только в 1986-м.

Двойному бета-распаду подвержено совсем небольшое число изотопов, объединённых общим свойством: они имеют бóльшую энергию связи ядра, чем их соседи по периодической таблице с увеличенным на единицу атомным номером, и меньшую энергию связи, чем ядра с атомным номером, поднятым на два. В такой ситуации «одинарный» бета-распад энергетически запрещён, тогда как двойной — допускается.

Классическим примером изотопа, склонного к двойному бета-распаду, считается германий-76 (атомное число Z = 32), который не может превратиться в мышьяк-76 с Z = 33, но зато способен перейти в селен-76 с Z = 34. Распады 76Ge регистрируются с девяностых годов прошлого века; измеренный период его полураспада составляет ~1,3•1021 лет, то есть примерно в сто миллиардов раз превышает возраст Вселенной.

Безнейтринный распад должен происходить ещё реже и, в полном соответствии с названием, не будет сопровождаться вылетом антинейтрино.

«Важно, что он, помимо прочего, нарушает одно из базовых положений Стандартной модели физики частиц — закон сохранения общего лептонного числа, — замечает участник MAJORANA Алан Пун (Alan Poon) из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли. — Так как электроны относятся к лептонам, двойной бета-распад, в котором рождаются два электрона, увеличивает лептонное число на два, но при этом появляется ещё и пара антинейтрино с отрицательными числами. В результате мы получаем ноль — сохранение. В безнейтринном случае лептонное число, напротив, изменяется на две единицы».

Безнейтринный вариант распада также реализуется только при условии смены спиральности (проекции спина на направление импульса) нейтрино. Возможность такого изменения, в свою очередь, прямо связана с вопросом о массе этой частицы. При ненулевой массе последняя должна двигаться со скоростью, уступающей скорости света, а это означает, что её всегда можно «обогнать», перейдя в новую систему отсчёта, которая перемещается быстрее; поскольку импульс в этой системе имеет направление, противоположное исходному, вслед за ним и сменится спиральность. Таким образом, если физики сумеют определить, насколько часто происходит безнейтринный двойной бета-распад, они оценят ещё и массу нейтрино.

Рис. 2. Схемы обычного (сверху) и безнейтринного двойных бета-распадов (иллюстрация Berkeley Lab).

Сотрудники коллаборации MAJORANA намереваются создать установку с полупроводниковыми детекторами на основе германия (обогащённого изотопом ⁷⁶Ge) общей массой в ~1 т, длительные наблюдения на которой дадут хорошую вероятность регистрации безнейтринного распада. Сначала, впрочем, экспериментаторам необходимо установить, существует ли возможность снизить естественный фон до приемлемых значений. Именно этим они и будут заниматься на первой стадии эксперимента, названной MAJORANA DEMONSTRATOR и требующей «всего» 40 килограммов чистейшего германия, 30 из которых будут обогащены ⁷⁶Ge на уровне в 86%.

Слой горных пород толщиной более километра должен, согласно плану, защитить детекторы от внешних воздействий, связанных с космическими лучами, а несколько слоёв меди и свинца — от природной радиоактивности пород. Если это позволит подавить фон, выделить сигнал безнейтринного двойного бета-распада — появление двух электронов с общей энергией в 2,039 МэВ — будет не так уж и трудно.

На начальном этапе эксперименту MAJORANA придётся конкурировать с проектом GERDA. Здесь также используются германиевые детекторы, смонтированные в подземной итальянской Национальной лаборатории Гран-Сассо, но защита организована по другому принципу, с помощью жидкого аргона и воды.

«Мы сравним результаты измерений и выясним, какой метод подавления фона работает лучше, а при постройке однотонного детектора, возможно, объединим наши усилия», — делится планами на будущее г-н Пун.

Рис. 3. Отдельные германиевые детекторы компонуются в виде «нитей», после чего загружаются в защищённый свинцом и медью объём установки MAJORANA DEMONSTRATOR (иллюстрация Berkeley Lab).