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
Физикам помогла простая математическая модель
Британские теоретики попытались разобраться, почему при слишком мелком помоле эспрессо получается невкусным. Для этого они построили простую модель протекания жидкости через два канала с пористым молотым кофе. Оказалось, что слишком мелкий помол запускает механизм с положительной обратной связью, из-за которого жидкость течет только по одному из каналов. Кофе во втором канале при этом остается недоэкстрагированным. Исследование опубликовано в Physics of Fluids. Для приготовления эспрессо нужно пропускать достаточно горячую воду под большим давлением через фильтр с молотым кофе. Люди научились готовить эспрессо еще в XIX веке, и с тех пор методом проб и ошибок сложилась практика получения наилучшего вкуса кофе. Однозначно формализовать качество кофе непросто, но чаще всего специалисты ориентируются на уровень (или выход) экстракции кофе — массовую долю растворившихся в воде химических компонентов зерен. В попытках разобраться в том, какая физика стоит за приготовлением эспрессо, несколько лет назад Фостер с коллегами провели экспериментальное и численное исследование этого процесса. Ученые уделили особое внимание помолу: модель предсказывала, что, чем меньше размер зерен, тем больше экстракция. Но эксперименты показали, что так происходит лишь до определенного порога, меньше которого уровень экстракции начинает снижаться. Этот эффект известен баристам давно. Его объясняют тем фактом, что при слишком мелком помоле в таблетке с кофе пробиваются паразитные каналы, через которые вода почти полностью утекает, игнорируя остальную кофейную массу. Фостер с коллегами учли этот факт, дополнительно наложив на модель ограничение на площадь экстракции. Тем не менее, остается проблема учета этого эффекта из первых принципов. Уильям Ли (William Lee) из университета Хаддерсфилд был одним из соавторов статьи Фостера. Ранее он с коллегами уже проводил независимые вычисления, связанные варкой кофе. На этот раз целью его группы стал вопрос о том, как именно происходит неравномерная экстракция при варке методом эспрессо. Для ответа на этот вопрос, физики построили довольно простую модель просачивания жидкости через два канала с пористым веществом. За основу они взяли уравнение Козени — Кармана, выведенное для упаковки сферических частиц. Вместе с ним авторы учли тот факт, что вещество помола экстрагируется в жидкость, уменьшая объем порошка. Решая полученные дифференциальные уравнения, физики смогли качественно воспроизвести главный эффект: по мере уменьшения размера зерен выход экстракции также спадает. Динамика потоков по каждому из каналов позволила понять, почему так происходит. Оказалось, все дело в механизме положительной обратной связи: чем больше протекает воды через канал, тем больше извлекается вещества и тем больше становится его пористость, а значит тем меньше сопротивление канала. В какой-то момент поток в одном из каналов становится максимальным, а в противоположном — падает почти до нуля. Несмотря на качественное объяснение, которое дала модель, ее количественные оценки разошлись с экспериментальными данными. Этот факт авторы объяснили простотой модели. В частности, они не учли стратификацию кофейной массы, а также использовали мономодальное распределение частиц, вместо бимодального, которым обладает реальный помол. Помимо усложнения модели, физики планируют включить в нее альтернативное объяснение эффекта, связанного с мельчанием помола, который заключается в закупоривании каналов зернами. Кофе — это один из немногих продуктов и в целом аспектов человеческой деятельности, который исследует огромное количество научных дисциплин от математики до экспериментальной психологии. Подробнее об этих исследованиях читайте в серии материалов и блогов «Сварен на калькуляторе», «Кофе (не) убьет», «Чашечку кофе?», «Кофе: проклятие четырех чашек».
