Внутренности резервуара для воды. В центре — криостат для жидкого аргона. Фольга нужна для отражения космических частиц. Фото: K. Freund / GERDA collaboration
Ученые из международной коллаборации GERDA сообщили, что установка для детекциии двойного безнейтринного распада атома после экспериментального запуска продемонстрировала низкий уровень радиационного фона.
Низкий уровень радиоактивного фона означает, что с помощью установки можно будет заметить очень редкий распад частиц, который, возможно, изменит представления о природе нейтрино и поможет понять, почему во Вселенной много вещества и очень мало антивещества, хотя теоретически их должно быть поровну.
Одним из самых важных вопросов современной фундаментальной физики — вопрос, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Ответ может скрываться в понимании природы нейтрино — частицы, которая играет центральную роль в механизмах горения Солнца и взрыва сверхновых звезд, а также в процессах формирования элементов во время Большого взрыва. Определение ее свойств позволило значительно продвинуться в понимании физики элементарных частиц, но природа нейтрино до сих пор неясна.
В соответствии с представлениями итальянского физика Этторе Майораны, существуют частицы, которые могут быть одновременно и своими античастицами. Возможно, нейтрино обладают майорановской природой, и это сможет объяснить недостаток антиматерии во Вселенной. Теоретические модели говорят в пользу того, что в случае майорановской природы нейтрино будет происходить двойной безнейтринный распад, и именно для того, чтобы обнаружить этот распад, и был создан проект GERDA, который проводится в Национальной лаборатории Гран Сассо в Италии силами европейских и российских ученых.
Двойной двухнейтринный бета-распад — это разрешенный процесс, в котором два нейтрона в атомном ядре одновременно распадаются на два протона, два электрона и два антинейтрино. Двойной безнейтринный распад — процесс, «запрещенный» законами физики, и отличается тем, что нейтрино при распаде отсутствуют. Возможно, их просто нельзя обнаружить при распаде потому, что в этот самый момент одно из них становится античастицей и аннигилирует. В таком случае суммарная энергия электронов, которые появляются при распаде, будет равна энергии распада. Измерение этой энергии и есть главная задача проекта GERDA.
Одна из проблем в поиске безнейтринного распада — фон из внешнего излучения (например, космического) и частиц, который мешает детекции и делает наблюдение практически бесполезным. В установке GERDA для защиты от фона использовали криостат, заполненный жидким аргоном, охлажденным до -190°С, погруженный в резервуар с водой объемом 590 м3, который, в свою очередь, расположен в подземной лаборатории Гран Сассо, — толща земли защищает установку от космического излучения. Аргон и вода, используемые в установке, очень чистые и служат дополнительной защитой от окружающей радиоактивности. В криостате находятся детекторы из германия, изготовленные в России, которые служат одновременно и источником событий, которые детектируют.
По словам одного из участников коллаборации Леонида Безрукова, заведующего лабораторией гамма-астрономии и реакторных нейтрино Института ядерных исследований РАН, доктора физико-математических наук, сейчас происходит накопление данных, а первые результаты работы установки будут известны летом 2017 года. Тогда можно будет узнать, удалось ли обнаружить двойной безнейтринный распад. Вообще же, проект GERDA завершит свою работу в 2019 году.
Результаты работы, которые показали что установка защищена от фона, описаны в журнале Nature.