Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Если предположение Майораны подтвердится и нейтрино действительно окажется античастицей «самой себе», то этот факт может перевернуть всю физику. Во-первых, придется пересмотреть Стандартную модель, которая сегодня считается настоящим каноном субатомного мира. Во-вторых, именно двойственная природа нейтрино могла бы объяснить ту асимметрию, в результате которой вещество подавляюще преобладает над антивеществом и которой мы обязаны своим существованием. Несмотря на явную простоту гипотезы Майораны, проверить ее экспериментально довольно сложно. Только сейчас ученые вплотную подходят к возможности осуществления строгих экспериментов такого рода, о чем мы подробнее поговорим ниже в этой главе.

Как вы, вероятно, помните из главы 2, Вольфганг Паули первым предположил, что именно нейтрино могут вызывать тот недостаток энергии, которая, казалось бы, бесследно исчезает при бета-распаде радиоактивного ядра. В частности, когда нейтрон распадается на протон и электрон, также образуется антинейтрино. При таком распаде сохраняется электрический заряд: реакция начинается с нейтрона, не имеющего заряда, а в результате ее образуются протон и электрон, чьи заряды равны, соответственно, +1 и –1, а также не имеющий заряда антинейтрино. Таким образом, суммарный заряд этих частиц также равен нулю. Сохраняется и лептонное число: как в начале, так и в конце реакции оно равно нулю, поскольку лептонное число электрона равно +1, а антинейтрино присваивается лептонное число –1. До сих пор все нормально: мы играем по правилам Стандартной модели.

Оказывается, ключевую роль для проверки гипотезы Майораны может сыграть редкая разновидность бета-распада. Еще в 1935 г. германо-американский физик Мария Гёпперт-Майер описала необычный вариант «двойного бета-распада»: два нейтрона в одном и том же ядре могут одновременно превратиться в два протона, испустив два электрона и два антинейтрино. В таком случае сохранились бы и электрический заряд, и лептонное число. По расчетам Гёпперт-Майер, случаи такого двойного распада должны быть достаточно редкими. Кроме того, наблюдать их очень непросто, так как они потеряются на фоне обычного «одинарного» бета-распада. После многих десятилетий работы, которой занимались многие физики, Майкл Мо из Калифорнийского университета в городе Ирвин и его коллеги наконец-то смогли наблюдать двойной бета-распад в лабораторных условиях. Это произошло в 1987 г.

Задолго до того, как группе Мо удалось экспериментально зафиксировать двойной бета-распад, ученые пришли к выводу, что если Майорана был прав и нейтрино являются античастицами сами себе, то возможен и третий, еще более редкий вариант бета-распада. Итак, если догадка Майораны была верна, то два нейтрона могут претерпевать бета-распад вместе, так, что антинейтрино, испускаемый одним нейтроном, сразу же поглощается другим нейтроном. В итоге два нейтрона распадаются, не оставляя после себя ни нейтрино, ни антинейтрино. Физики подобрали для этого феномена громоздкое название «безнейтринный двойной бета-распад». В процессе такого распада электрический заряд сохраняется, а лептонное число – нет: на выходе имеем +2, так как есть два электрона и никаких антинейтрино. Таким образом, при безнейтринном двойном бета-распаде нарушается важное правило сохранения, основополагающий закон Стандартной модели. Именно такое нарушение может объяснять асимметрию в количестве вещества и антивещества.

Если ученым доведется наблюдать этот исключительно редкий процесс в природе, то догадка Майораны подтвердится: окажется, что нейтрино действительно является античастицей самому себе. Это будет беспрецедентный прорыв в науке и первый доказанный случай несохранения лептонного числа. В таком случае нам откроется путь к пониманию того, как вещество распространилось во Вселенной настолько шире антивещества. Более того, вероятность безнейтринного двойного бета-распада тесно связана с массой нейтрино: чем больше эта масса, тем чаще происходят распады. Поэтому, измерив частоту распада нейтрино, ученые смогут достаточно уверенно определить массу этой частицы. До сих пор физикам удавалось измерить лишь разницы масс нейтрино разных типов (об этом мы говорили в главе 5), но не их абсолютную массу. Иными словами, изучив свойства этого редкого явления, мы решим сразу две задачи: найдем массу нейтрино и узнаем, является ли нейтрино собственной античастицей.

Обнаружить безнейтринный двойной бета-распад не легче, чем иголку в стоге сена, но в настоящее время этот поиск набирает обороты. Физики готовят сложнейшие эксперименты, которые позволили бы проверить гипотезу Майораны – более чем через 75 лет после того, как эта гипотеза была сформулирована. По мнению Джорджо Гратты из Стэнфордского университета, тот факт, что для постановки достаточно точных экспериментов такого рода понадобилось так много времени, свидетельствует «не только о крайней сложности измерения этого свойства, но и о том, насколько гениален был Майорана».

Ожидается, что в ближайшие пять лет будет запущено несколько таких точных экспериментов. Один из них называется «Подземная криогенная обсерватория редких событий» (CUORE), он будет проводиться в итальянской лаборатории Гран-Сассо. В эксперименте используется около 200 кг теллура; примерно треть этой массы приходится на радиоактивный теллур, который подвергается двойному бета-распаду. Детекторы CUORE охлаждены до температуры, всего на доли градуса превышающей абсолютный нуль (поэтому они очень легко регистрируют малейшие повышения температуры, происходящие в результате поглощения частицы или гамма-луча). Поскольку безнейтринный двойной бета-распад будет происходить крайне редко (если вообще будет), ученым потребуется подавить все прочие источники помех, которые в противном случае просто перекроют этот слабый сигнал. Во-первых, именно поэтому экспериментальная установка возводится под горой Гран-Сассо в Апеннинах, под сотнями метров скальных пород, блокирующих большую часть космических лучей. Во-вторых, сборка детекторов выполняется в стерильных цехах, чтобы предотвратить загрязнение атомами других радиоактивных элементов, встречающихся в природе. В-третьих, детекторы заключаются в свинцовые кожухи, каждый толщиной по 3 см, чтобы защитить оборудование от радиоактивного излучения самих скальных пород.

Однако свинец, только что добытый из руды, сам немного радиоактивен; соответственно, его собственное излучение станет помехой для измерения бета-распада. Поэтому ученым, готовившим проект CUORE, потребовалось найти очень старый свинец, который уже успел утратить почти всю свою естественную радиоактивность. Ученые превзошли сами себя в стремлении найти идеальный экранирующий материал: металл, который пошел на изготовление кожухов, взят с грузового судна, затонувшего у берегов Сардинии около 2000 лет назад. В 1988 г. остатки этого корабля обнаружил аквалангист. На судне находилось более тысячи свинцовых слитков, из которых, вероятно, предполагалось выковать снаряды для пращей – боеприпас для римских легионеров. Археологи хотели изучить клейма на слитках, чтобы больше узнать об античной морской торговле, но не смогли найти достаточно средств, чтобы поднять весь этот груз. Тогда на помощь пришли физики: Итальянский национальный институт ядерной физики выделил на подъем слитков сумму, эквивалентную $200 000. В качестве вознаграждения физики попросили себе часть добытого груза – те слитки, которые сохранились хуже всего. Они будут переплавлены и пойдут на изготовление свинцовых экранов для эксперимента CUORE.

Кроме группы CUORE в мире есть и другие проекты, участники которых в духе дружеского соперничества стремятся обнаружить безнейтринный двойной бета-распад. Еще одна группа в Европе уже эксплуатирует аппарат, который должен зафиксировать это экзотическое явление в блоке германия[37]. Эта работа также ведется в лаборатории Гран-Сассо. Американские ученые запустили собственный эксперимент под названием EXO-200 (Обсерватория с обогащенным ксеноном). Обсерватория расположена под соляным пластом неподалеку от города Карлсбад в штате Нью-Мексико, неподалеку отсюда находится могильник ядерных отходов. Тот самый соляной пласт, который накрывает этот могильник, также защищает детектор EXO-200 от космических лучей и естественной радиоактивности скальных пород. Ксенон содержится в медном криостате, который находится в растворителе; растворитель играет роль антифриза и позволяет поддерживать нужную температуру. Исследователи сделали все возможное, чтобы защитить свой аппарат от радиационного фона, который мог бы стать источником помех. Сборка установки EXO-200 выполнялась в большом стерильном цеху в специальном комплексе с толстой бетонной крышей на территории Стэнфордского университета. При работе использовались материалы, не дающие ни малейшего радиоактивного излучения, все инструменты тщательно промывались в ацетоне и спирте. Поскольку при транспортировке оборудования по воздуху установка подвергалась бы сильному воздействию космических лучей, было решено доставить аппаратуру грузовиком из Калифорнии в Нью-Мексико в герметичных контейнерах – путь к месту назначения составил больше 2000 км. Чтобы дополнительно снизить воздействие космических лучей, было решено максимально сократить время в пути – для этого к транспортировке привлекли двоих водителей, которые вели машину по очереди, и в дороге удалось обойтись без остановок. Более того, исследователи покрыли контейнеры специальной отражающей краской, чтобы в дороге они не нагревались. Сам грузовик, который использовался при перевозке, был оснащен пневматической подвеской, чтобы исключить даже малейшие вибрации, способные повредить тонкое оборудование. Тем временем японские исследователи также приступили к поиску безнейтринного двойного бета-распада в шахте Камиока; в японской установке используется 400 кг ксенона, заключенного в огромный нейлоновый баллон.