В Италии ищут частицу-призрак: если найдут, придётся переписать законы физики

Глубоко под горой Гран-Сассо в Италии, в условиях, максимально изолированных от внешнего мира, международная команда физиков ведет одну из самых сложных "охот" в истории науки. Они ищут свидетельства невероятно редкого процесса — безнейтринного двойного бета-распада. Согласно последним данным, если этот процесс вообще существует в природе, то происходит он не чаще одного раза в триллион триллионов лет. Осознание этой цифры помогает понять, с какими масштабами редкости имеют дело ученые.

Проект CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) объединил специалистов из Йельского университета и десятков научных центров по всему миру. Их цель — обнаружить ядерный распад, который может перевернуть наши фундаментальные представления о материи. Речь идет не просто о регистрации нового явления, а о проверке гипотезы, способной вывести физику за пределы Стандартной модели.

В чем суть загадки?

Чтобы понять значимость эксперимента, нужно разобраться в двух типах распада. Обычный двойной бета-распад — уже редкое событие, при котором два нейтрона в ядре одновременно превращаются в два протона, испуская два электрона и два антинейтрино. Это процесс, хоть и сложный для наблюдения, но уже подтвержденный экспериментально.

Безнейтринный двойной бета-распад — это нечто совершенно иное. Если он существует, то в ходе него не испускаются антинейтрино. Такой сценарий возможен только в одном случае: если нейтрино является своей собственной античастицей. Частицы с таким свойством называются майорановскими, в честь итальянского физика Этторе Майораны, который предсказал их существование в 1937 году.

Обнаружение этого процесса станет прямым доказательством того, что нейтрино — частица Майораны. Это, в свою очередь, может дать ключ к разгадке одной из величайших тайн Вселенной: почему после Большого взрыва материи в космосе осталось значительно больше, чем антиматерии.

Сравнение двух типов двойного бета-распада

Оборудование, достойное научной фантастики

Поймать событие, которое может происходить раз в триллион триллионов лет, — задача невероятной сложности. Для этого ученые создали уникальную экспериментальную установку, напоминающую сюжет из научной фантастики.

Детектор расположен под 1400 метрами горной породы, которая служит естественным щитом от космических лучей. Но и этого недостаточно. Для дополнительной защиты от фоновой радиации физики использовали древнеримский свинец, поднятый с затонувшего корабля двухтысячелетней давности. Почему именно он? Дело в том, что обычный свинец обладает собственной слабой радиоактивностью из-за примесей, а свинец, пролежавший два тысячелетия под водой, уже "выцвел" — его радиоактивные изотопы давно распались, сделав его идеальным экраном.

Но даже эти меры не гарантируют успеха. Главный враг эксперимента — фоновый "шум", который может имитировать искомый сигнал. Для борьбы с ним команда разработала sophisticated систему мониторинга.

Как работает детектор CUORE: шаг за шагом

1. Глубокая изоляция. Детектор размещен под горой Гран-Сассо для защиты от космического излучения.

2. Свинцовый щит. Используется уникальный древнеримский свинец с ultra-low уровнем собственной радиации.

3. Криогенное охлаждение. Детектор охлажден до температур, близких к абсолютному нулю (-273°C).

4. Постоянный мониторинг. Более 20 датчиков непрерывно отслеживают температуру, звук, вибрации и электромагнитные помехи.

5. Алгоритмическая фильтрация. Специальные алгоритмы учатся отличать реальный сигнал распада от фонового шума.

6. Накопление данных. Эксперимент продолжается годами, чтобы набрать достаточную статистику для обнаружения сверхредкого события.

А что если…

Если безнейтринный распад будет обнаружен, это не только подтвердит майорановскую природу нейтрино, но и откроет путь к пониманию асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Если же его не удастся обнаружить после многих лет поисков, это будет означать, что нейтрино — дираковская частица, и нам придется искать другие объяснения доминированию материи в космосе.

Плюсы и минусы эксперимента CUORE

Почему это важно для понимания Вселенной

Даже если в ближайшие годы сигнал так и не будет пойман, работа физиков имеет огромную ценность. Каждое новое ограничение на частоту безнейтринного распада — это важное указание на природу нейтрино. Ученые постепенно сужают "поле поиска", отсекая неверные теоретические модели.

"Авторы проекта отмечают: если им удастся зафиксировать безнейтринный двойной бета-распад, это поможет объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии", — говорится в публикации.

Этот эксперимент — прекрасный пример того, как фундаментальная наука работает на самом переднем крае познания. Исследователи задаются вопросами, которые могут не иметь immediate практического применения, но ответы на которые способны коренным образом изменить наше понимание устройства мироздания.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Что такое частицы Майораны?
Это гипотетические элементарные частицы, которые являются своими собственными античастицами. В отличие от электронов, у которых есть антиподы — позитроны, майорановские частицы неотличимы от своих античастиц.

Почему для эксперимента выбрали именно теллур?
В эксперименте CUORE используется ⁴⁰Mo (молибден-100) и ¹³⁰Te (теллур-130) — изотопы, которые могут претерпевать двойной бета-распад. Теллур обладает подходящими ядерными свойствами и позволяет создать детекторы нужной чувствительности.

Сколько времени может занять эксперимент?
Поиск таких редких событий — процесс многолетний. Текущая фаза эксперимента рассчитана на несколько лет, но в случае необходимости он может быть продолжен с еще более чувствительным оборудованием.

Мифы и правда о нейтрино

Миф: Нейтрино практически ни с чем не взаимодействуют, поэтому их невозможно обнаружить.
Правда: Хотя нейтрино действительно очень слабо взаимодействуют с веществом, современные детекторы способны регистрировать их с помощью огромных объемов рабочего вещества и длительного времени экспозиции.

Три факта о нейтрино

1. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр нашего тела пролетают около 100 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем, но мы этого совершенно не замечаем.

2. Нейтрино имеют три различных "аромата": электронное, мюонное и тау-нейтрино, которые могут спонтанно превращаться друг в друга — это явление называется нейтринными осцилляциями.

3. За открытие нейтринных осцилляций была присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году, что подтвердило наличие у нейтрино ненулевой массы, не предсказанной исходной Стандартной моделью.

Исторический контекст

Поиск безнейтринного двойного бета-распада — это одна из самых долгих и трудных "охот" в современной физике. Первые эксперименты начались еще в середине XX века, но только сейчас технологии достигли уровня, позволяющего всерьез надеяться на обнаружение этого процесса. Проект CUORE является логическим продолжением работ, начатых такими пионерами физики, как Этторе Майорана и Бруно Понтекорво.

Как и в случае с бозоном Хиггса, поиск которого занял десятилетия, отрицательный результат в этом эксперименте будет не менее важен, чем положительный — он заставит теоретиков пересмотреть свои модели и искать новые пути объяснения фундаментальных свойств материи. Эта работа напоминает нам, что наука — это не только про быстрые открытия, но и про терпеливый, методичный поиск истины, даже если на это уходят целые жизни исследователей.