Ігри з малими шансами

Для пошуку надзвичайно рідкісних процесів, які обіцяють гігантський прорив у нашому розумінні сучасної фізики, вчені використовують не тільки найсучасніші детектори, а й продукти технології двохтисячолітньої давності.

Капітан великого римського вітрильного торгового судна, ймовірно, був вельми роздратований, коли кинув якір всього лише в якій-небудь милі від берегів Сардинії. Судно було завантажене видобутим у шахтах Картахени свинцем, що призначався для виготовлення амуніції (снарядів для пращів). Але, судячи з відомостей, які отримав капітан, шанси доставити вантаж одержувачу з кожною хвилиною ставали все більш примарними: повстанці контролювали найближчі порти (і навіть, можливо, захопили кілька військових кораблів, тож втеча ставала безглуздою). Зрештою почуття обов «язку (а також страх перед римською армією) пересилило, і капітан віддав наказ. Знизу почулися удари сокир, судно накренилося і стало повільно тонути, в той час як матроси пострибали у воду і вже пливли до берега. Головне — важливий стратегічний вантаж не дістався ворогу.

Стародавній скарб

Свинцеві злитки пролежали на дні Тірренського моря всього в півтори милях від Орістано 2000 років, поки в 1988 році їх не виявили місцеві дайвери. Знахідка зацікавила італійське Управління археологічного нагляду Кальярі, її ретельно відзначили на картах, але піднімати не поспішали. Причина була досить банальною: для підйому майже тисячі свинцевих злитків, кожен вагою 33 кг, було потрібно чимало коштів, яких у бюджеті управління не було. Допомога прийшла з несподіваного боку: газета з заміткою про знахідку випадково попалася на очі Етторе Фіоріні, фізику з Міланського університету Бікокка. Виявилося, що римський свинець дуже потрібен фізикам. Потрібен настільки, що італійський Національний інститут ядерної фізики (INFN) запропонував оплатити операцію з підйому вантажу із затонулого римського судна в обмін на «частку скарбу» в натуральному вигляді. Археологи та історики, скріплячи серце і скриплячи зубами, погодилися, і в 1991 півтори сотні злитків були передані італійським фізикам, які виготовили з них свинцеві екрани для детекторів, встановлених в підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії.

Допомога з минулого

Римські металурги, звичайно, не підозрювали, що за плодами їхньої роботи полюватимуть не тільки археологи, а й фізики всього світу. Свинець, здобутий в іспанській Картахені і який пролежав 2000 років на дні Тірренського моря поблизу Сардинії, виявився дуже доречним для використання в найсучасніших наукових експериментах, метою яких є пошук деяких надзвичайно рідкісних явищ, здатних (у разі їх виявлення) значно збагатити знання людства про фундаментальні основи нашого світу.

«Витриманий» метал

Навіщо ж робота римських металургів знадобилася сучасним фізикам? Справа в тому, що свіжовиплавлений з руди свинець містить невеликі домішки нестабільних елементів. В основному це ізотоп свинець-210, що зазнає бета-розпаду з періодом напіврозпаду 22,3 року. На якості амуніції для пращів це, звичайно, ніяк не позначається, як і для величезної кількості сучасних застосувань, а ось для фізиків має принципове значення. Свинець використовується як матеріал для екранування надвисокочутливих детекторів у багатьох експериментах з виявлення різних частинок. Оскільки недавно здобутий свинець зберігає слабку природну радіоактивність, він служить джерелом перешкод і, за словами Етторе Фіоріні, не підходить для подібних завдань. Зазвичай у таких випадках використовують особливий свинець, збіднений 210-м ізотопом, але його ціна дуже висока. Тому римські злитки, в яких за 2000 років розпалася більша частина свинцю-210, виявилися досить доречними. Дослідження, проведені фізиками з INFN, показали, що рівень залишкової радіоактивності стародавнього свинцю становить всього лише 4 мБк/кг, що в 100 000 разів менше, ніж у «новоділа», і в 100 разів менше, ніж у спеціального, збідненого 210-м ізотопом металу. Тому для експерименту колаборації CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) INFN у 2010 році використовував додаткові 120 злитків, щоб створити для детекторів, розташованих глибоко під землею, тристантиметрову свинцеву броню, екрануючу сторонні випромінювання. В експериментах CUORE (і ряду інших колаборацій) вчені сподіваються знайти новий тип радіоактивності, передбачений три чверті століття тому, — подвійний безнейтринний розпад. Це відкриття може стати досягненням такого ж масштабу, як і довгоочікуваний вилов бозона Хіггса.

В основі детекторів колаборації CUORE лежать болометри, за допомогою яких намагаються виявити розпад телура-130. 988 кристалів діоксиду телура одночасно служать і болометрами, і потенційними джерелами подвійного безнейтринного бета-розпаду. Вони зібрані в 19 колонок і охолоджені до температури в 10 мК, при якій їх тепломісткість настільки мала, що навіть потрапляння окремої частинки викликає підвищення температури, що виявляється за допомогою термісторів. За величиною цього підвищення можна вирахувати енергію частинки, що потрапила, а в разі подвійного безнейтринного бета-розпаду в енергетичному спектрі буде спостерігатися пік в 2527 кЕв

З нейтрино і без

Наприкінці XIX століття була відкрита бета-радіоактивність атомних ядер, при якій заряд ядра змінюється на одиницю, а його маса практично зберігається. У природних ізотопів спостерігається тільки електронний бета-розпад, при якому один з нейтронів ядра перетворюється на протон з випусканням електрону та електронного антинейтрино (у штучних буває і позитронний). У 1935 році майбутній лауреат Нобелівської премії Марія Гепперт-Майєр теоретично довела, що можливий бета-розпад з виникненням двох електронів і двох антинейтрино. Її прогноз підтвердили в 1987 році фізики з Каліфорнійського університету в Ірвайні, які виявили перетворення селену-82 на криптон. Настільки довгі пошуки подвійного бета-розпаду пояснюються винятковою стабільністю нуклідів, у яких він спостерігається. Всі вони (а їх всього 11) мають період напіврозпаду близько 10 в 20 ступеня років, що в мільярди разів більше віку Всесвіту.

А тепер експериментатори шукають ще один різновид подвійного бета-розпаду, передбачений 1939 року американським фізиком-теоретиком Уенделлом Фаррі. Він виходив з теорії, запропонованої італійцем Джуліо Рака, яка базувалася на дуже красивій гіпотезі Етторе Майорани (обидва вони були учнями Енріко Фермі). Вона дозволяє існування частинок з напівцілим спином (ферміонів), які є своїми власними античастинками.

Бета-розпад обумовлений слабкою взаємодією і змінює заряд ядра на одиницю без зміни масового числа — з випромінюванням бета-частинки (електрона або позитрона) і електронного антинейтрино або нейтрино відповідно. При подвійному бета-розпаді випромінюється дві бета-частинки і два антинейтрино (або нейтрино). Подвійний безнейтринний бета-розпад може існувати, тільки якщо нейтрино є майоранівською частинкою (нейтрино тотожне антинейтрино).

Майорана допускав, що такими частинками можуть бути електрони і позитрони, однак Рака показав, що в цю модель вписується тільки нейтрино. Фаррі дійшов висновку, що в цьому випадку один з нейтронів, задіяних у подвійному бета-розпаді, може поглинути антинейтрино, випущене іншим нейтроном. У результаті обидва нейтрони перетворяться на протони, але за межі ядра вилетять одні електрони. Такий процес називається подвійним безнейтринним бета-розпадом.

Загадки всесвіту

Реальний інтерес до теорії Фаррі виник в середині 1980-х, коли фізики всерйоз задумалися про вихід за рамки Стандартної моделі (СМ). У цьому плані подвійний безнейтринний бета-розпад обіцяє багато цікавого. По-перше, він порушує принцип збереження лептонного числа — один з наріжних каменів СМ. І в звичайному, і в подвійному бета-розпаді одночасно виникають і лептони, і антилептони — електрони і антинейтрино. Народження електрона змінює лептонне число на одиницю, народження антинейтрино — на мінус одиницю, так що сума залишається незмінною. А бета-розпад по Фаррі збільшує лептонне число на дві одиниці, що явно суперечить СМ. Вважається, що наш Всесвіт після Великого вибуху був заповнений як речовиною, так і антивіщістю, а до теперішнього часу зберіг перше, але начисто позбувся другого. Одна з найбільш переконливих теорій, що пояснюють зникнення антивіщення, заснована на гіпотезі незбереження лептонного числа. Тому спостереження подвійного безнейтринного бета-розпаду може розкрити одну з головних загадок нашого світу.

Воно обіцяє і додатковий приз. Подібні розпади можливі лише при ненульовій масі нейтрино, причому їх ймовірність тим вища, чим ця маса більша. Якщо їх виявлять, цю масу можна буде виміряти безпосередньо, чого поки ніхто робити не вміє.

Як знайти подвійний розпад

В принципі, це завдання вирішити нескладно. Частинки, що вилетіли при розпаді, отримують енергію за рахунок різниці між масами спокою початкового і кінцевого ядер. За відсутності нейтрино вся енергія припадає на електрони. Отже, потрібно шукати такі подвійні бета-розпади, де сумарна енергія пари електронів в точності дорівнює цій різниці. Однак на практиці для цього потрібні високочутливі детектори, здатні дуже точно реєструвати треки електронів, випущених при подвійному бета-розпаді. Для придушення радіоактивного і теплового фону їх потрібно помістити глибоко під землею, оточити багатошаровими екранами і сильно охолодити.

Фізики шукають подвійний безнейтринний бета-розпад більше двадцяти років. У 2001 році німецькі вчені навіть заявили про його реєстрацію, але їх результати піддалися серйозній критиці і залишилися непідтвердженими. Тож експерименти тривають.

Глибоко під землею

Циліндрична час-проекційна камера, вздовж осі якої додано електричне поле, заповнена ксеноном-136. При його іонізації зарядженими частинками вибиті електрони дрейфують в електричному полі і вловлюються сіткою. Фотони при сцинтиляції виявляються фотодетекторами (лавинними фотодіодами). Запізнення електронного сигналу на сітці відносно світлового дає можливість відновити трек, а за інтенсивністю можна судити про енергію заряджених частинок

Детектор міжнародної колаборації EXO-200 встановлений на глибині 665 м в колишній соляній шахті біля Карлсбада в штаті Нью-Мексико. Це циліндрична камера діаметром 40 і висотою 44 см, заповнена рідким ксеноном-136, ядра якого нестабільні відносно подвійного бета-розпаду. Прилад зібрали в надчистих умовах в Стенфордському університеті і в 2007 році доставили на місце призначення. Щоб максимально знизити забруднення космічними частинками і позбутися вібрацій, контейнер з приладом транспортували не літаком, а на вантажівці з м’якою підвіскою, яку без зупинок вели двоє шоферів.

Ксенон-136 схильний до подвійного бета-розпаду (звичайного) з періодом напіврозпаду близько 2· 1⁰²1 років і (потенційно) подвійного безнейтринного бета-розпаду з періодом напіврозпаду 1, 6· ¹⁰25 років

У червні група EXO-200 опублікувала звіт про спостереження за два роки. Вчені поки не виявили ядер ксенона, що випускали одні електрони, проте прийшли до висновку, що з 90% -вою ймовірністю час їх життя перевищує 1,1х1⁰²⁵ років. Ці результати свідчать, що маса електронного антинейтрино не перевищує 0,2 ‑ 04 еВ (звичайно, ця оцінка правильна, лише якщо воно є майоранівською частинкою). Зараз вже зрозуміло, що, якщо подвійний безнейтринний бета-розпад існує, він трапляється незмірно рідше звичайного подвійного розпаду (хоча Фаррі вважав, що справа йде якраз навпаки!). Члени колаборації планують оновити електронні системи детектора і відновити експеримент. Вони також конструюють ще більш чутливий прилад, який розраховують розмістити в шахті ще глибше.

Ксенон-136 схильний до подвійного бета-розпаду (звичайного) з періодом напіврозпаду близько 2· 1⁰²1 років і (потенційно) подвійного безнейтринного бета-розпаду з періодом напіврозпаду 1, 6· ¹⁰25 років