Физики увидели отдельные ионы бария в твердом ксеноне. Это поможет найти майорановские нейтрино

Фотография детектора EXO-200, предшественника детектора nEXO
EXO-200 collaboration
Группа EXO научилась различать отдельные ионы Ba+, вмороженные в льдинку твердого ксенона. Для этого ученые «сканировали» образец лазером и следили за его флуоресценцией. По словам исследователей, с помощью нового подхода можно отличать события двойного безнейтринного бета-распада ядер ксенона от «загрязняющих» фоновых сигналов, а потому физики собираются использовать его на детекторе следующего поколения nEXO. Статья опубликована в Nature, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, а потому изучать эти частицы очень сложно. В частности, физики до сих пор не знают, являются нейтрино дираковскими или майорановскими фермионами. К дираковским фермионам относятся все частицы Стандартной модели, которые имеют «брата»-античастицу — например, электроны и позитроны. Майорановские фермионы, напротив, являются одновременно частицами и античастицами, то есть переходят сами в себя при зарядовом сопряжении. В принципе, если бы ученым удалось подтвердить майорановскую природу нейтрино, на нее можно было бы списать темную материю и наблюдаемую асимметрию между материей и антиматерией, а потому эта теория кажется более перспективной. Однако подтвердить ее в эксперименте ученым до сих пор не удалось.
Основной процесс, с помощью которого физики пытаются доказать майорановскую природу нейтрино — это двойной безнейтринный бета-распад (сокращенно 0νββ: 0 нейтрино, две бета-частицы). Напомним, что в ходе обычного бета-распада нейтрон превращается в протон, параллельно испуская позитрон и электронное антинейтрино. При этом заряд ядра, в котором находится распавшийся нейтрон, повышается на единицу. В принципе, такое превращение может произойти одновременно с двумя нейтронами — при этом ядро испустит сразу два нейтрино и два позитрона. Это так называемый двойной бета-распад (2νββ). Вероятность двойного бета-распада очень мала: например, два ядра ксенона могут распасться по этому каналу не чаще, чем раз в 2×1021 лет. Однако очень точные эксперименты способны зафиксировать даже такой редкий процесс. Наконец, если нейтрино являются майорановскими частицами, они могут аннигилировать друг с другом в ходе двойного бета-распада, и тогда экспериментаторы их не увидят. Вероятность этого процесса еще меньше, чем вероятность «обычного» двойного бета-распада, однако физики надеются, что рано или поздно они его увидят.
Из-за низкой вероятности 0νββ ученым приходится сооружать большие и дорогие установки, содержащие несколько сотен килограмм (а в последнее время — несколько тонн) радиоактивных изотопов. Однако даже таким установкам приходится работать несколько лет, чтобы набрать необходимую статистику распадов. Например, детектор EXO-200, содержащий чуть меньше 170 килограммов жидкого ксенона-136, за два года зарегистрировал около 40 событий-кандидатов на роль 0νββ. К сожалению, эти данные были загрязнены «фоновыми» процессами, имеющих схожие параметры, которые ученые не смогли отделить от «настоящих» распадов. Чтобы избавиться от этой проблемы, нужно точно отслеживать ионы бария-136, образующиеся в результате двойного бета-распада ядер ксенона. По крайней мере, участники группы EXO считают, что это позволит отсечь фоновые события и повысить чувствительность детектора.
Теперь ученые наконец-то разработали такой метод. Для этого физики предложили использовать флуоресценцию ионов Ba+, вмороженных в твердый ксенон. Дело в том, что ионы Ba++, которые рождаются в результате двойного бета-распада молекул ксенона, быстро захватывают электроны и превращаются в ионы Ba+. В свою очередь, если вморозить эти ионы в льдинку твердого ксенона и облучить лазером, они будут флуоресцировать, то есть испускать излучение на заданной длине волны (по крайней мере, так предсказывают теоретические расчеты). Следовательно, если заморозить жидкий ксенон в окрестности события-кандидата на 0νββ и проверить его флуоресценцию, можно будет подтвердить или опровергнуть образование иона бария, тем самым отбраковав «загрязняющие» процессы.
Прежде чем внедрять эту идею в детектор, ученые проверили ее работоспособность. Для этого исследователи конденсировали ксенон полупрозрачном стеклышке, охлажденном до температуры 10 кельвин, попутно просвечивая его слабым пучком ионов Ba+. После этого исследователи просвечивали получившийся образец импульсом желто-зеленого лазера (длина волны 572 нанометра) мощностью 40 микроватт и продолжительностью три секунды, а затем записывали излучение льдинки на ПЗС-матрицу размером 4×4 пикселя. В основном, ученые искали излучение на длине волны 619 нанометров, которое отвечает флуоресценции ионов Ba+ и не «выгорает» при высокой интенсивности возбуждающего лазера. Чтобы разглядеть отдельные ионы, вмороженные в ксенон, физики фокусировали лазер с помощью системы линз и «сканировали» поверхность льдинки, перемещая лазер по квадрату 12×12 с шагом четыре микрометра и повторно фотографируя излучение образца на ПЗС-матрицу.
Разумеется, эти наработки имеют не только теоретический интерес, но и практическое применение — в будущем исследователи собираются использовать их при постройке детектора следующего поколения nEXO. Помимо улучшенной системы по отсеиванию фоновых событий, этот детектор будет содержать в двадцать пять раз больше ксенона (около пяти тонн) и будет дополнительно защищен несколькими тоннами воды. По оценкам ученых, это позволит ему поднять нижнюю границу периода двойного безнейтринного бета-полураспада до 1028 лет — либо наконец зафиксировать долгожданный процесс.
В прошлом году группа NEXT, которая также ищет майорановские нейтрино по двойному безнейтринному бета-распаду ядер ксенона-136, разработала еще один способ детектирования отдельных ионов бария. Этот способ основан на флуоресцентной визуализации отдельных молекул: грубо говоря, как только в жидком ксеноне образуются ионы бария, они соединяются с красителем и начинают светиться. В своей статье группа nEXO ссылается на этот результат, хотя и отмечает, что предложенные способы детектирования не имеет ничего общего.
В настоящее время в мире работает сразу несколько установок по поиску двойного безнейтринного бета-распада, однако ни одна из них так его и не зарегистрировала. Пока что ученым удается только установить нижнее ограничение на период этого процесса. В частности, детектор CUORE зафиксировал эту границу на уровне 3×1021 лет, его преемник CUPID-0 сдвинул ее до 1024 лет, а группа KamLAND-Zen еще сильнее ужесточила ограничение, получив значение порядка 1026 лет. В настоящее время это самое сильное ограничение на период безнейтринного двойного бета-распада. Впрочем, даже самые точные эксперименты все еще не дотягивает до ограничений, установленных с помощью косвенных методов — например, на основании космологических данных или наблюдений за осцилляциями нейтрино. Чтобы добраться до этой границы, ученым нужно повысить точность детектирования по меньшей мере в десять раз.
Дмитрий Трунин