Физики наложили самые строгие ограничения на майорановские нейтрино
Международная коллаборация KamLAND-Zen опубликовала новые данные о поисках майорановских нейтрино — частиц, являющихся античастицами к самим себе. Ученые ограничили частоту распада ксенона-136, ассоциированного с особыми свойствами майорановских частиц, временем полураспада в 1026 лет. Эта величина в квадриллион раз больше, чем возраст Вселенной, а сама оценка в шесть раз точнее, чем все предыдущие. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
Нейтрино — элементарные частицы, очень редко вступающие во взаимодействие с веществом. Из-за это их очень трудно регистрировать, и ряд свойств этих частиц все еще плохо изучен. В согласии с некоторыми теориями, с помощью нейтрино можно объяснить большую разницу между количеством материи и антиматерии во Вселенной. Этторе Майорана предположил, что из-за отсутствия у нейтрино заряда разницы между частицей и античастицей может не быть и мы неправильно оцениваем соотношение материи и антиматерии.
Такие гипотетические частицы получили название майорановских. Те же частицы, для которых между нейтрино и антинейтрино есть разница, называют дираковскими. Как и в случае встречи между собой частицы и античастицы, две майорановских частицы могут аннигилировать друг с другом. Именно на этом свойстве и основаны основные методы их поиска.
Нейтринный детектор KamLAND представляет собой прозрачный контейнер, заполненный сцинтиллятором и окруженный 1879 фотоумножителями. В 2011 году физики поместили в него емкость со сверхчистым ксеноном-136 — изотопом ксенона, способным к так называемому двойному бета-распаду.
В ходе двойного бета-распада два нейтрона в ядре ксенона одновременно превращаются в протоны (при этом ксенон превращается в барий), испуская две пары частиц: антинейтрино и электронов. Если нейтрино — майорановская частица, то есть вероятность аннигиляции возникшей пары антинейтрино. Тогда ученые зафиксируют безнейтринный бета-распад — единственным продуктом ядерной реакции будут электроны.
Заметить безнейтринный распад можно, собрав достаточно большую статистику наблюдений двойных бета-распадов и ограничив шумы от посторонних процессов — в частности, наблюдениям мешают примеси изотопа серебра-110m. На основе наблюдений ученые не могут однозначно исключить существование экзотических распадов. Вместо этого физики определяют минимальное время полураспада, при котором за все время эксперимента чувствительности прибора не хватит для надежной фиксации распада.
По результатам нового анализа минимальное время полураспада оказалось равным 1,07×1026 лет. Это означает, что за такое время одно ядро имеет 50 процентный шанс распасться в канале безнейтринного двойного бета-распада. Это самая строгая оценка на проявления майорановских нейтрино. Кроме того физики нашли верхнее ограничение на массу таких частиц — от 61 до 165 миллиэлектронвольт. Для сравнения, верхняя оценка суммы масс известных типов нейтрино составляет 280 миллиэлектронвольт.
Кроме поиска майорановских нейтрино физики ищут нарушения в симметрии между нейтрино и антинейтрино. В современных теориях существует фундаментальная связь между частицами и античастицами — CP-инвариантность. С ее помощью, зная свойства частицы, можно предсказать свойства античастицы. Есть предположение, что в случае нейтрино эта инвариантность нарушается, что может указывать на неполноту теоретических моделей. С помощью эксперимента NOvA физики недавно смогли оценить эти нарушения.
Владимир Королёв