CUORE за четыре года работы не нашел следов двойного безнейтринного бета-распада

Коллаборация CUORE сообщила о том, что в результате четырехлетней работы их детектора не нашлось следов двойного безнейтринного бета-распада ядра теллура-130. Работа ученых накладывает новые ограничения на период полураспада ядра через этот канал, который теперь не может быть меньше, чем 2,2×10²⁵ лет, что, в свою очередь, строже ограничивает условия, при которых нейтрино может оказаться майорановской частицей. Исследование опубликовано в Nature.

Люди познакомились с нейтрино благодаря бета-распаду. Странный характер энергетического спектра электронов требовал либо отказаться от закона сохранения энергии, либо ввести новую частицу, которую можно обнаружить только по ее участию в слабом взаимодействии. Дальнейшая история показала, что вторая точка зрения была верной, и существование нейтрино подтвердилось.

Впрочем, на этом споры вокруг нейтрино не утихли. Например, физики до сих пор точно не знают, как нейтрино соотносятся со своими античастицами. В 1937 году Этторе Майорана предположил, что нейтрино могут оказаться античастицами к самим себе. Если его гипотеза верна и нейтрино — это майорановские фермионы, это может иметь важные последствия для физики. Например, этот факт может пролить свет на преобладании материи над антиматерией во Вселенной.

Над проверкой этой гипотезы работает множество лабораторий. Про успехи некоторых из них мы уже писали ранее. В числе прочих мы рассказывали про детектор CUORE, который ищет майорановские частицы по двойному бета-распаду теллура-130. Его особенностью стало использование криогенных температур для рекордно большого количества вещества. В 2017 году мы сообщали о первых результатах его полноценной работы, после чего физики из CUORE приступили к новому долгосрочному этапу сбора данных.

Теперь этот этап подошел к концу и коллаборация CUORE сообщает о его результатах. За четыре года непрерывной работы детектор не нашел сколь-либо достоверных свидетельств существования двойного безнейтринного бета-распада, и, следовательно, доказательств того, что нейтрино обладает майорановскими свойствами. Рекордные параметры установки позволили обновить период полураспада этого процесса в ядре теллура-130, который теперь оказался равен 2,2×10²⁵ лет.

Как уже было отмечено выше, нейтрино может образовываться при бета-распаде, например, когда нейтрон в ядре превращается в протон с испусканием электрона (если быть точным, так рождается электронное антинейтрино). Существует и более редкая версия этого события: двойной бета-распад. В частности, он возможен в ядре теллура-130, превращая его в ядро ксенона-130 с испусканием двух электронов и двух антинейтрино. Если же антинейтрино и нейтрино — это одна и та же частица, значит пара антинейтрино имеет шанс тут же саннигилировать. На практике это означает, что вся разница между массами ядер должна превратиться в массу и кинетическую энергию электронов. Таким образом, безнейтринный двойной бета-распад следует искать в виде пика в энергетическом спектре, соответствующего этой разнице.

Именно этим и занимается детектор CUORE. В основе его работы лежит криогенная калориметрия, то есть измерение энергии электронов по их тепловому воздействию в условиях сверхнизких температур. Для этого ученые изготовили 988 кубиков из диоксида теллура со стороной 5 сантиметров, которые они разместили в 19 башнях детектора по 13 этажей каждая. Суммарная масса всех кристаллов равна 742 килограммам, что соответствует 206 килограммам изотопа ¹³⁰Te.

Каждый кубик детектора снабжен германиевым термистором, который конвертирует тепловые импульсы в электрические сигналы. Вся установка охлаждается до 10 милликельвин с помощью оригинальной криогенной системы. С ее работой связано несколько рекордов. В частности, физики из CUORE охладили до такой температуры полторы тонны вещества (сами кристаллы, а также крепеж и экранировка), а также удерживали ее в течение месяцев измерений, прерывая лишь на калибровку, в рамках четырехлетнего сезона работы. По словам авторов, их наработки пригодятся при масштабировании квантовых компьютеров в будущем.

Другой рекорд, поставленный коллаборацией, связан с экранировкой рабочего тела детекторов от космического излучения и фоновой радиации материалов, из которого сделана установка. Так, погружение всей лаборатории под поверхность горы на глубину, эквивалентную 3,6 километра воды, позволило снизить адронные и мюонные потоки на шесть порядков. Защиту от нейтронов обеспечил 20-сантиметровый слой полиэтилена и тонкий слой борной кислоты. Однако самой интересной оказалась защита от гамма-лучей: для нее ученые использовали сверхнизкоактивный свинец, выплавленный еще в Римской империи. Археологи нашли большое его количество в трюмах затонувшего корабля и передали физикам.

Все эти ухищрения позволили исследователям существенно снизить уровень шума. Для дополнительного улучшения выборки они отбрасывали слишком шумные сигналы с детекторов и двойные срабатывания, а при обработке данных использовали «подсаливание» данных с помощью фальшивых выбросов, чтобы убедиться, что анализ достаточно ослеплен. В результате физики получили спектр, который в интересующем их значении энергии равном 2527,5 килоэлектронвольт, не обладал каким либо значимым пиком. Предполагая, что сигнал двойного безнейтринного бета-распада ниже, чем шум установки, они установили, что с вероятностью 90 процентов период полураспада ядра через этот процесс должен быть не менее 2,2×10²⁵ лет. Это значение конвертируется в эффективную майорановскую массу, не превышающую 90-305 миллиэлектронвольт.

Неуловимость нейтрино заставляет физиков строить огромные и удивительные детекторы, чтобы ловить их поодиночке. В этой роли может выступать и кубический километр антарктического льда, как в IceCube, и даже само озеро Байкал, как в Baikal-GVD. Подробнее об этих и других проектах читайте в материале «Кто стрелял?».

Марат Хамадеев