Проигрыш антивещества: как поймать частицу для раскрытия тайны материи
Нейтрино — неуловимые легчайшие частицы, не обладающие электрическим зарядом. Свойства нейтрино не позволяют им ярко проявляться во взаимодействиях с материей, а потому их крайне сложно зарегистрировать. Ученые ставят эксперименты с несколькими поэтапными преобразованиями энергии, чтобы зафиксировать редчайшие акты взаимодействия «скромных» нейтрино с веществом.
Подобные опыты требуют сложнейшего оборудования, которое нужно спрятать под землей, исключив помехи от солнечного излучения и частиц из космоса, но результат того стоит. Нежелание «общаться» с другими частицами позволило нейтрино, образовавшимся вместе со Вселенной, сохраниться до наших дней. Если «поймать» такую частицу, можно многое узнать о прошлом нашего мира.
Впервые нейтрино были предсказаны теоретически, чтобы выполнялись законы сохранения в ядерных реакциях. Классический пример — бета-распад, при котором нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино либо на протон, позитрон и нейтрино. Без нейтрино или его античастицы этот процесс был таким же неточным, как если бы яблоко «распалось» на мякоть и кожуру, а семечки бы просто исчезли.
Бета-распад — довольно распространенное явление, но существует так называемый «двойной бета-распад», при котором из ядра вылетают сразу 2 электрона или позитрона, либо происходит «захват» ядром этих частиц. Процесс сопровождается рождением двух антинейтрино или нейтрино. Периоды полураспада — времена, за которые число распадающихся ядер уменьшается вдвое, для этого способа распада составляют от миллиарда миллиардов лет (10 с 18 нулями). Это значит, что зафиксировать подобный процесс в течение нескольких месяцев и даже лет — большая удача.
Если нейтрино является своей же античастицей, то сразу после рождения пара частиц аннигилирует — исчезнет, оставив вспышку света. Тогда ученые смогут объяснить, почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии. Вот зачем столько усилий идет на постановку эксперимента, в котором можно будет наблюдать двойной бета-распад.
Один из изотопов, который подвержен двойному бета-распаду, — это молибден-100 (Mo-100). Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики США недавно завершила сбор данных в подземном эксперименте CUPID-Mo. С марта 2019 года по апрель 2020 года не было зафиксировано ни одного события, похожего на двойной бета-распад, однако в ходе эксперимента ученым удалось определить верхний предел периода полураспада молибдена-100, откалибровать детекторы и на 30% повысить их чувствительность по сравнению с чувствительностью приборов в предыдущем подобном опыте — Neutrino Ettore Majorana Observatory 3 (NEMO 3), благодаря использованию кристаллов вместо фольг.
Ограничение на период полураспада молибдена-100 составило 1,4 триллиона триллионов лет (14 с 23 нулями). Детектор из 20 кристаллов, состоящих из лития, кислорода и того же изотопа Мо-100, был откалиброван по изотопу таллий-208 (Tl-208). Вспышки света в детекторе из-за расположенного рядом радиоактивного таллия были довольно яркими, однако ученые ожидают, что вспышка от двойного бета-распада молибдена будет еще мощнее. Детектор работает при температуре минус 273.3 градуса по Цельсию, что 15 сотых выше абсолютного нуля, чтобы сохранить чувствительность.
CUPID-Mo можно считать подготовительным этапом к полномасштабному эксперименту CUPID с 1500 кристаллов в детекторе вместо 20, что даст в 100 раз больше молибдена-100 и увеличит вероятность двойного безнейтринного бета-распада. Новый детектор будет установлен в Национальной лаборатории Гран Сассо ( Laboratori Nazionali del Gran Sasso ) в Италии. На его сборку уйдет около 4-5 лет. Российские исследователи задействованы в подготовке к эксперименту CUPID в числе других стран-участниц. Подобные эксперименты, как и сами нейтрино, действительно важны для науки, поэтому не стоит не замечать их на фоне ярких миссий к Марсу, как не нужно игнорировать слабо взаимодействующие нейтрино на фоне мощной космической радиации.