Споры физиков со всего мира вокруг двойного безнейтринного бета-распада в скором времени могут завершиться. Для этого постаралась международная команда исследователей, работающая с германиевыми детекторами GERDA (GERmanium Detector Array), расположенными на глубине около полутора километров под землёй в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Gran Sasso National Laboratory) в Италии. Они заявили, что не увидели никаких признаков двойного безнейтринного бета-распада, которым занимались с 2001 года. А такое открытие, впрочем, как и его полноценное опровержение, тянет на Нобелевскую премию.
Для физиков-ядерщиков доказательства существования таких явлений очень важны. Бета-распад сам по себе — процесс довольно простой для понимания. Это тип радиоактивного распада, при котором нейтрон "превращается" в протон, выделяя две мелкие частицы — электрон и так называемое антинейтрино (гипотетическую античастицу нейтрино).
Нейтрино является фундаментальной нейтральной частицей, участвующей лишь в слабом и гравитационном взаимодействии. При этом она чрезвычайно юркая: ежесекундно каждый квадратный сантиметр поверхности Земли бомбардирует около 60 миллиардов солнечных нейтрино. И да, через тело каждого обитателя нашей планеты тоже ежесекундно проходят десятки миллиардов этих частиц.
Существует правда и другой, очень редкий тип бета-распада — двойной. При этом два нейтрона одновременно конвертируются в два протона и выделяется по паре электронов и антинейтрино. В какой-то момент, теоретики предсказали ещё одно явление: так называемый безнейтринный двойной бета-распад. Ясно из названия: процесс точно такой же, как при обычном двойном бета-распаде, но без выделения антинейтрино.
На практике можно искусственно запустить ядерную реакцию, очень похожую на бета-распад: вместо того, чтобы испустить антинейтрино, нейтрон поглотит нейтрино и конвертируется в пару протон-электрон. В таком случае безнейтринный двойной бета-распад будет объединением обычного бета-распада и этой искусственно запущенной реакции, если выпущенное антинейтрино при обычном бета-распаде поглотится нейтроном точно также, как и нейтрино из запущенной реакции.
Судя по одинаковому поведению и свойству частиц, физики предположили, что нейтрино должно являться само себе античастицей. Если же это правда, то оно станет единственной в мире частицей материи, являющейся веществом и антивеществом одновременно. Такими же свойствами обладает и фотон, однако он не является материей.
В 2001 году прославившийся физик-ядерщик Ханс Фолькер Клапдор-Кляйнгротаус (Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus) и его сотрудники из Института ядерной физики общества Макса Планка (Max Planck Institute for Nuclear Physics) заявили, что стали свидетелями вышеописанной ядерной реакции. Они проводили эксперимент под названием "Heidelberg-Moscow" в лаборатории Гран-Сассо, в ходе которого работали с 11,5 килограммами германия изотопа 76. Это один из очень немногих типов ядер с необходимым для бета-распада количеством протонов и нейтронов.
Учёные наблюдали за материалом на протяжении 13 лет и в конце концов заявили, что увидели косвенные признаки того, что произошёл распад. В научном мире эта новость вызвала возмущение: физики говорили, что команда Клапдора-Кляйнгротауса сделала недостаточно для того, чтобы исключить вероятность обычного радиоактивного распада.
Второй эксперимент был проведён для того, чтобы проверить сенсационное утверждение Клапдора-Кляйнгротауса и его коллег. Команда ведущих специалистов в области ядерной физики из 19 исследовательских институтов и университетов со всего мира построила 18-килограммовый германиевый детектор — GERDA. Эта часть эксперимента длилась намного меньше — с ноября 2011 по май 2013 года. При этом за точностью данных пристально следили. Во-первых, детектор поместили под землёй, чтобы посторонние частицы не попадали на него, а во-вторых конструкция детектора позволяла исключить фоновые излучения, что сделало его сверхчувствительным к редким типам ядерных распадов. Возможность ошибки была практически исключена.
Наконец, достоверность данных, полученных командой Клапдора-Кляйнгротауса, была опровергнута. На последнем семинаре в Гран-Сассо Стефан Шёнерт (Stefan Schönert) из Мюнхенского технического университета (Technische Universität München) рассказал о результатах эксперимента с детектором GERDA. Он объяснил, что команда физиков-экспериментаторов засекла энергию парных электронов и зафиксировала три случая в диапазоне энергий, о которых некоторое время назад говорил Клапдор-Кляйнгротаус. По словам Шёнерта, эта энергия была результатом фоновых реакций, не имеющих отношения к бета-распаду.
"Мы почти наверняка опровергли утверждения команды Клапдора-Кляйнгротауса", — заявил учёный.
Разумеется, это не означает, что безнейтринный двойной бета-распад невозможен в принципе. Просто данные, о которых рассказал Шёнерт, доказывают чрезвычайную редкость этого явления, которое, возможно, людям ещё придётся увидеть. Тогда как Клапдор-Кляйнгротаус утверждал, что период полураспада составляет 1.2x10 в 25 степени лет, Шёнерт доказал, что минимальный порог этого периода составляет 2.1x10 в 25 степени лет. Это в миллионы миллиардов раз больше, чем существует вся Вселенная.
Время ещё есть. Поэтому команда физиков, работающая с детектором GERDA, не теряет надежды. В конце 2013 года исследователи начнут собирать данные, полученные новыми блоками детектора, состоящими из двойного числа германия-76. Вероятность получения ложных данных будет ещё ниже, чем в последнем эксперименте, и если что-то похожее на редкий распад проявится, учёные этого не пропустят.
Также по теме:
Новый эксперимент опроверг, что частицы нейтрино движутся быстрее скорости света
С помощью нейтрино люди смогут послать сигнал в прошлое
Получены новые данные о соотношении масс нейтрино и антинейтрино
Распад частиц на Большом адронном коллайдере намекнул на новую физику
Эксперимент на Большом адронном коллайдере опроверг современную теорию мироздания
