Итальянцы закончили сборку «самого холодного кубометра во Вселенной»

В Италии завершилась сборка обновленного детектора CUORE, предназначенного для поиска майорановских нейтрино. Устройство будет искать следы двойного безнейтринного бета-распада — это один из процессов, позволяющих отчасти объяснить разницу в количестве материи и антиматерии во Вселенной. Как отмечает издание Symmetry Magazine, после перехода в рабочее состояние детектор станет «самым холодным кубометром во Вселенной» — его рабочая температура составляет одну сотую кельвина. 

Гипотеза о необычной природе нейтрино — легких и почти не взаимодействующих с веществом частиц — была выдвинута Этторе Майорана. Согласно предположению физика, нейтрино могут оказаться античастицами к самим себе. В отличие от электронов, аннигилирующих при встрече с позитронами, отличающимися от первых знаком, майорановские нейтрино могут аннигилировать при встрече со своими копиями. Для того, чтобы заметить этот процесс ученым необходимо было найти явление, в ходе которого в небольшом объеме образуются пары похожих частиц. Майорановская природа проявилась бы в статистике этого явления — количество зафиксированных нейтрино было бы меньше, чем можно ожидать из теории.

Хорошим кандидатом оказался процесс двойного бета-распада. В ходе обычного бета-распада один из нейтронов в ядре атома превращается в протон, выбрасывая электрон и антинейтрино. При этом атом увеличивает свой атомный номер, к примеру цезий-137 превращается в барий-137. Двойной бета-распад сопровождается одновременным превращением двух нейтронов в протоны и выбросом, соответственно, двух антинейтрино и двух электронов. Физики надеются зафиксировать события, в ходе которых рождается только пара электронов, без образования антинейтрино. 

Уже сейчас существует несколько экспериментов, участвующих в поисках безнейтринного бета-распада. К примеру, KamLAND-Zen ищет подобные распады в ксеноне-136 (последний в ходе распада превращается в барий-136), однако предварительные данные ограничивают этот процесс временем полураспада в 10²⁶ лет. Эксперимент GERDA анализирует двойной бета-распад германия-76. Интересно, что в 2001 году эксперимент Гейдельберг-Москва обнаружил в этом канале распада следы безнейтринного события, казалось бы, подтверждавшего майорановскую природу нейтрино, но позднее этот результат был опровергнут. 

Подземный эксперимент CUORE исследует двойной бета-распад теллура-130 в ксенон-130. В отличие от большинства детекторов, работающих на прямом поиске рождающихся ионов, в его основе лежит анализ тепловых сигналов распада. CUORE представляет собой сборку из кубов оксида теллура, охлажденных до 7-10 тысячных долей кельвина. В таком состоянии даже небольшие колебания температуры сильно влияют на электропроводность материала. По величине этих колебаний ученые с высокой точностью отслеживают, какая энергия была рассеяна в кристалле. По сравнению со стандартными методиками точность измерений выше, но при этом ученые жертвуют скоростью фиксации сигнала. 

Предварительные версии CUORE — Cuorinio и CUORE-0 — состояли из соответственно 62 и 52 кристаллов оксида теллура размером 5×5×5 сантиметров. Новая версия состоит из 19 башен с кристаллами, аналогичных CUORE-0. В сумме в ней находится 988 кубов из оксида теллура. Чувствительность детектора позволит обнаружить безнейтринный распад с периодом полураспада до 9.5 × 10²⁵ лет. Сборка и установка башен была завершена 26 августа — интересно, что сроки сборки оказались немного сдвинуты недавним землетрясением. Ученые потратили некоторое время на то, чтобы проверить, не повредилась ли емкость, в которой будет располагаться детектор. Ожидается, что на рабочую температуру в 10 милликельвинов устройство выйдет в конце октября 2016 года.

Для охлаждения детектора будет использоваться рефрежиратор растворения. В нем находится смесь гелия-3 и гелия-4, находящаяся ниже критической точки перехода в сверхтекучее состояние. Это приводит к тому, что жидкость разбивается на две фазы — сверхтекучую и обычную. При переходе гелия-3 из сверхтекучей фазы в гелий-4 он теряет энергию. В результате, если эти переходы достаточно эффективны, происходит охлаждение — из соображений технологичности подобные устройства могут работать при температурах вплоть до двух тысячных долей градуса выше нуля. 

В детекторах CUORE использовался необычный сверхнизкоактивный свинец — он был выплавлен еще во времена Римской империи. В 1988 году археологи обнаружили на дне моря затонувший корабль, на котором находились почти тысяча свинцовых брусков. Поскольку их возраст насчитывал около двух тысяч лет, в материале почти полностью отсутствовал изотоп свинца-210. Радиоактивный распад последнего мешал бы работе детектора, снижая его чувствительность. Физики заинтересовались находкой и профинансировали подъем брусков со дна моря. В детекторе они играют роль стенки-изолятора.

В мире существует несколько крупных нейтринных экспериментов, изучающих различные аспекты физики этих элементарных частиц. Так, на южном полюсе находится детектор IceCube, представляющий собой несколько сотен фотодетекторов, погруженных в лед объемом в один кубический километр. Эксперимент занимается поиском и анализом астрофизических нейтрино, рождающихся вне нашей Галактики. Недавно коллаборации удалось впервые соотнести высокоэнергетическое нейтрино с известным объектом.

Исследованиями осцилляций нейтрино занимаются эксперименты NOvA, Daya Bay, MINOS и многие другие. Коллаборации стремятся с большой точностью определить параметры процесса осцилляций, в ходе которого нейтрино меняют свой сорт: например, с электронного (рождаются в бета-распаде) на мюонное (рождаются в распаде мюона), или на тау-нейтрино. Одна из целей коллабораций — выяснить, похожи ли осцилляции у нейтрино и антинейтрино. 

Владимир Королёв