В Италии завершилась сборка обновленного детектора CUORE, предназначенного для поиска майорановских нейтрино. Устройство будет искать следы двойного безнейтринного бета-распада — это один из процессов, позволяющих отчасти объяснить разницу в количестве материи и антиматерии во Вселенной. Как отмечает издание Symmetry Magazine, после перехода в рабочее состояние детектор станет «самым холодным кубометром во Вселенной» — его рабочая температура составляет одну сотую кельвина.

Гипотеза о необычной природе нейтрино — легких и почти не взаимодействующих с веществом частиц — была выдвинута Этторе Майорана. Согласно предположению физика, нейтрино могут оказаться античастицами к самим себе. В отличие от электронов, аннигилирующих при встрече с позитронами, отличающимися от первых знаком, майорановские нейтрино могут аннигилировать при встрече со своими копиями. Для того, чтобы заметить этот процесс ученым необходимо было найти явление, в ходе которого в небольшом объеме образуются пары похожих частиц. Майорановская природа проявилась бы в статистике этого явления — количество зафиксированных нейтрино было бы меньше, чем можно ожидать из теории.

Диаграмма Фейнмана для двойного безнейтринного бета-распада. Продуктом распада являются лишь два электрона, а два электронных антинейтрино аннигилируют друг с другом. Wikimedia Commons

Хорошим кандидатом оказался процесс двойного бета-распада. В ходе обычного бета-распада один из нейтронов в ядре атома превращается в протон, выбрасывая электрон и антинейтрино. При этом атом увеличивает свой атомный номер, к примеру цезий-137 превращается в барий-137. Двойной бета-распад сопровождается одновременным превращением двух нейтронов в протоны и выбросом, соответственно, двух антинейтрино и двух электронов. Физики надеются зафиксировать события, в ходе которых рождается только пара электронов, без образования антинейтрино. 

Уже сейчас существует несколько экспериментов, участвующих в поисках безнейтринного бета-распада. К примеру, KamLAND-Zen ищет подобные распады в ксеноне-136 (последний в ходе распада превращается в барий-136), однако предварительные данные ограничивают этот процесс временем полураспада в 1026 лет. Эксперимент GERDA анализирует двойной бета-распад германия-76. Интересно, что в 2001 году эксперимент Гейдельберг-Москва обнаружил в этом канале распада следы безнейтринного события, казалось бы, подтверждавшего майорановскую природу нейтрино, но позднее этот результат был опровергнут. 

Сборка башни из кубиков окида теллура. CUORE Collaboration

Подземный эксперимент CUORE исследует двойной бета-распад теллура-130 в ксенон-130. В отличие от большинства детекторов, работающих на прямом поиске рождающихся ионов, в его основе лежит анализ тепловых сигналов распада. CUORE представляет собой сборку из кубов оксида теллура, охлажденных до 7–10 тысячных долей кельвина. В таком состоянии даже небольшие колебания температуры сильно влияют на электропроводность материала. По величине этих колебаний ученые с высокой точностью отслеживают, какая энергия была рассеяна в кристалле. По сравнению со стандартными методиками точность измерений выше, но при этом ученые жертвуют скоростью фиксации сигнала. 

Предварительные версии CUORE — Cuorinio и CUORE-0 — состояли из соответственно 62 и 52 кристаллов оксида теллура размером 5×5×5 сантиметров. Новая версия состоит из 19 башен с кристаллами, аналогичных CUORE-0. В сумме в ней находится 988 кубов из оксида теллура. Чувствительность детектора позволит обнаружить безнейтринный распад с периодом полураспада до 9.5 × 10²⁵ лет. Сборка и установка башен была завершена 26 августа — интересно, что сроки сборки оказались немного сдвинуты недавним землетрясением. Ученые потратили некоторое время на то, чтобы проверить, не повредилась ли емкость, в которой будет располагаться детектор. Ожидается, что на рабочую температуру в 10 милликельвинов устройство выйдет в конце октября 2016 года.

Детектор CUORE в разрезе. CUORE Collaboration

Для охлаждения детектора будет использоваться рефрежиратор растворения. В нем находится смесь гелия-3 и гелия-4, находящаяся ниже критической точки перехода в сверхтекучее состояние. Это приводит к тому, что жидкость разбивается на две фазы — сверхтекучую и обычную. При переходе гелия-3 из сверхтекучей фазы в гелий-4 он теряет энергию. В результате, если эти переходы достаточно эффективны, происходит охлаждение — из соображений технологичности подобные устройства могут работать при температурах вплоть до двух тысячных долей градуса выше нуля. 

В детекторах CUORE использовался необычный сверхнизкоактивный свинец — он был выплавлен еще во времена Римской империи. В 1988 году археологи обнаружили на дне моря затонувший корабль, на котором находились почти тысяча свинцовых брусков. Поскольку их возраст насчитывал около двух тысяч лет, в материале почти полностью отсутствовал изотоп свинца-210. Радиоактивный распад последнего мешал бы работе детектора, снижая его чувствительность. Физики заинтересовались находкой и профинансировали подъем брусков со дна моря. В детекторе они играют роль стенки-изолятора.

Римские свинцовые слитки, поднятые со дна моря. INFN/Cagliari Archeological Superintendence

В мире существует несколько крупных нейтринных экспериментов, изучающих различные аспекты физики этих элементарных частиц. Так, на южном полюсе находится детектор IceCube, представляющий собой несколько сотен фотодетекторов, погруженных в лед объемом в один кубический километр. Эксперимент занимается поиском и анализом астрофизических нейтрино, рождающихся вне нашей Галактики. Недавно коллаборации удалось впервые соотнести высокоэнергетическое нейтрино с известным объектом.

Исследованиями осцилляций нейтрино занимаются эксперименты NOvA, Daya Bay, MINOS и многие другие. Коллаборации стремятся с большой точностью определить параметры процесса осцилляций, в ходе которого нейтрино меняют свой сорт: например, с электронного (рождаются в бета-распаде) на мюонное (рождаются в распаде мюона), или на тау-нейтрино. Одна из целей коллабораций — выяснить, похожи ли осцилляции у нейтрино и антинейтрино. 

Автор: Владимир Королёв