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

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.

Чтобы подтвердить, что предложенная техника способна разглядеть отдельные ионы бария, ученые поставили следующую серию опытов. Сначала ученые «просканировали» чистый образец ксенона, полученный при выключенном пучке ионов (рисунок (a) на иллюстрации). Как и ожидалось, в этом случае интенсивность излучения не превышала тысячи фотонов на милливатт на секунду. Затем физики изготовили образец, ориентировочно содержащий 50±10 ионов бария, и нашли в его «фотографии» два близких пика, интенсивность которых почти в шесть раз превышала интенсивность фона. При повторном «сканировании» пики сохранялись. После этого исследователи отодвинули возбуждающий лазер от пиков и подвергли образец большому числу (более десяти) последовательных вспышек. В результате один из пиков, который находился ближе к месту разрушающего воздействия, пропал. По словам ученых, это подтверждает, что наблюдаемые пики действительно отвечают отдельным ионам бария. Более того, по спектру флуоресценции ионов можно уверенно отличить ионы Ba⁺ от других ионов или соединений бария.

Кроме того, исследователи проверили, что интенсивность фона не зависит от содержания ионов бария в предыдущих образцах, проверявшихся на приборе. Для этого ученые напыляли образец чистого ксенона до и после опытов с ионами бария, а потом сравнивали уровни фонового излучения. Как и ожидалось, ученые не нашли корреляций между изменением фона, числом и расположением ионов бария в промежуточном образе. Это означает, что зонд, который отслеживает ионы бария в реальном детекторе, чистить не придется.

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