«Самый холодный кубометр во Вселенной» получил первые научные результаты

Международная группа физиков сообщила о первых результатах полноценной работы CUORE, нейтринного детектора, основная цель которого — поиск двойных безнейтринных бета-распадов ядер теллура. Проанализировав данные всего двух месяцев работы детектора, физикам удалось установить новые ограничения на майорановскую природу нейтрино — рекордно сильные для подобных экспериментов. По данным ученых период полураспада теллура-130, связанного с аннигиляцией нейтрино, составляет 2,7×10²¹ лет. Исследование направлено к публикации в журнал Physical Review Letters (препринт), кратко о нем сообщает пресс-релиз Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли.

Одна из нерешенных проблем физики — преобладание во Вселенной материи над антиматерией. Согласно одной из гипотез важную роль в этом расхождении могут играть нейтрино — легковесные лептоны, способные пролетать сквозь всю толщу Земли не взаимодействуя с ней. Эти частицы могут оказаться майорановскими, то есть являться античастицами для самих себя. Простейшее следствие этого — два нейтрино могут аннигилировать друг с другом. Если это предположение подтвердится, то оно будет значить, что мы неверно оцениваем соотношение материи и антиматерии Вселенной.

Обнаружить взаимную аннигиляцию двух нейтрино можно в процессе, который называется двойным бета-распадом. В каждом бета-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская нейтрино, электрон и гамма-квант. В двойном бета-распаде два нейтрино могут аннигилировать между собой — тогда наблюдатель не увидит ни одного нейтрино в распаде. Искать подобные события удобно с помощью приборов, содержащих большое количество изотопов, испытывающих двойной бета-распад.

В 2001 году нейтринный эксперимент Гейдельберг-Москва статистически зафиксировал безнейтринный двойной бета-распад германия-76. Позднее этот результат был опровергнут. На сегодняшний день существует несколько крупных детекторов с различными активными средами — ксенон-136, теллур-130, кадмий-116 и так далее. Самое серьезное ограничение на безнейтринные распады сейчас установлено на ксеноновых детекторах: период полураспада ксенона-136 с аннигиляцией двух нейтрино составляет 10²⁶ лет — в квадриллион раз больше возраста Вселенной.

Детектор CUORE — крупнейший и наиболее чувствительный эксперимент, работающий на изотопе теллура-130. Он состоит из 19 «башен» из оксида теллура, по 52 кубических кристалла в каждой. Сборка охлаждена до температуры всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля — за это прибор и прозвали «самым холодным кубометром во Вселенной». В таком состоянии даже небольшие колебания температуры сильно влияют на электропроводность материала. По величине этих колебаний ученые с высокой точностью отслеживают, какая энергия была рассеяна в кристалле.

Ранее физики уже запускали детектор — тогда статистика набиралась лишь одной из 19 башен на протяжении двух лет. Это позволило продемонстрировать технологию, лежащую в основе установки.

Новый двухмесячный пуск задействовал все 19 башен оксида теллура — это позволило набрать статистику для почти такого же ограничения на частоту процесса, как и весь предыдущий двухгодичный пуск. Физики объединили данные двух пусков, чтобы получить объединенный результат: период полураспада в 2,7×10²¹ лет. Другой важный результат эксперимента — первая демонстрация работоспособности полноценного детектора.

На следующем этапе ученые смогут дополнительно улучшить ограничения на безнейтринные распады теллура. Ожидается, что за следующие пять лет работы детектор наберет примерно в сто раз больше данных, чем за прошедшие два месяца. Чувствительность детектора позволит обнаружить безнейтринный распад с периодом полураспада до 9,5×10²⁵ лет.