Не наблюдавшаяся ранее разновидность радиоактивности может объяснить, почему существует материя – включая и людей. Команда физиков запускает эксперимент по поиску необычного явления
Когда Вселенная сформировалась порядка 13,7 млрд лет назад, согласно современным теориям материя и её странный родственник, антиматерия, во время Большого взрыва должны были появиться в равных количествах. Физикам известно, что когда две этих сущности вступают в контакт, они аннигилируют. Но в таком случае в космосе не было бы ничего кроме фотонов и нейтрино. И, тем не менее, мы существуем. Расчёты показывают, что материи оказалось немного больше, чем антиматерии – но почему?
Один из способов объяснения этой асимметрии – поиск разницы между двумя типами вещества, за исключением заряда, способной объяснить преимущество обычной материи. В современной физике это очень большой вопрос, поскольку согласно современным теориям, они должны вести себя одинаково.
Странные нейтрино
В исследовании физики пытаются добиться безнейтринного двойного бета-распада. Обычно при бета-распаде нестабильное ядро радиоактивного атома теряет нейтрон. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон и небольшую частицу, электронное антинейтрино. Бывает и зеркальная ситуация, в которой протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и электронное нейтрино – близнеца антинейтрино. Двойной бета-распад происходит, когда испускаются два электрона и два антинейтрино: по сути, бета-распад происходит два раза. Учёные давно строили теории по поводу безнейтринной версии этого процесса – в ней нейтрино аннигилируют до того, как покинуть атом. В этом случае нейтрино ведёт себя как своя собственная античастица.
Частицы, ведущие себя, как свои собственные античастицы, называют фермионами Майораны – в честь итальянского физика Эттора Майораны, высказавшего на этот счёт гипотезу в 1937 году.
Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, это может помочь объяснить, почему в момент формирования Вселенной вся материя не аннигилировала.
Поиски распада
Но такое событие сложно обнаружить, ибо этому мешает сильный «фоновый шум», как говорит Бернард Швингенхойер [Bernhard Schwingenheuer], представитель проекта «германиевый массив датчиков», GERmanium Detector Array, или GERDA. Причиной шума служат космические лучи.
Установка GERDA, прячущаяся в подземной лаборатории в Италии, состоит из датчиков, содержащихся в ванной с жидким аргоном, обогащённым умеренно радиоактивным изотопом германия-76. Его период полураспада составляет 1,78 x 1021 (1,78 миллиардов триллионов лет) – именно столько времени нужно, чтобы половина его атомов превратилась в селен. Это время на несколько порядков дольше существования Вселенной.
Обычно германий в процессе своего медленного распада испускает два электрона и два электронных антинейтрино, что является обычным двойным бета-распадом. Физики хотели узнать, происходит ли такой распад без нейтрино.
С таким большим периодом полураспада можно подумать, что ожидать такого события пришлось бы слишком долго; но полураспад – явление вероятностное. Именно поэтому в исследовании используется около 38 кг германия, смешанного с жидким аргоном. Это даёт порядка 4,5 x 1025 атомов, что означает, что несколько атомов должно распадаться прямо во время наблюдений.
Команда GERDA собирала данные в течение семи месяцев, с декабря 2015 до июня 2016. Они не обнаружили распада, но смогли установить нижний предел частоты его появления: его период полураспада составляет 5,3 x 1025 лет, что означает, что шанс увидеть распад одного атома за это время равен 50%.
Расширяя Стандартную модель
Если распад обнаружат, это будет означать, что нейтрино являются античастицами к самим себе, как фотоны. В противном случае безнейтринный распад не может состояться. Это также значит, что такой радиоактивный распад несимметричен. Вспомним, что у бета-распада есть зеркальный вариант – испускаются электроны и антинейтрино, либо позитроны и нейтрино. Если двойной бета-распад несимметричен, это значит, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному. У других пар частиц/античастиц это не так.
Это явление повлияет на Стандартную модель, которая, хоть и весьма успешно объясняет физику частиц, не является полной. Модель предсказывала существование бозона Хиггса. Но Швингенхойер отмечает, что существуют свидетельства того, что у нейтрино есть небольшая масса (открытая лишь в 1998 году, за что в 2015 году была получена нобелевская премия), а также признаки наличия тёмной материи. Всё это говорит о том, что Стандартная модель не стала последним словом науки.
«В случае обнаружения безнейтринного двойного бета-распада мы сможем решить пару проблем», – говорит Филипп Барбо [Philip Barbeau], помощник профессора физики в Университете Дьюка. «Во-первых, это поможет объяснить асимметрию материи-антиматерии во Вселенной. Во-вторых, это поможет понять, почему у нейтрино такая маленькая масса. Также мы сможем оценить массу нейтрино, поскольку скорость распада связана с массовой шкалой нейтрино».
И тогда останется понять физику процесса. Проект GERDA пока ещё не продемонстрировал искомый распад, но это не означает, что он его не найдёт, как говорит Швингенхойер. Полностью устранить вероятность такого процесса не получится, поскольку всегда будет оставаться возможность, что время, необходимое для его появления, просто больше, чем считалось. На сегодня они установили нижний предел для полураспада, но будущие эксперименты могут увеличить это значение.
Если же после многочисленных прогонов они так и не увидят распад, то Барбо считает, что это вряд ли откроет дорогу для новых научных моделей. «С точки зрения лежащих в основе теорий, мы не возвращаемся обратно к расчётам. Мы просто не будем знать, являются ли нейтрино фермионами Майораны».
Источник
