Материалы портала «Научная Россия»

Неопровержимое свидетельство новой физики

Ученые продолжают разгадывать загадки элементарной частицы.

Нейтрино  одна из самых загадочных частиц нашей вселенной. Из-за крошечного размера нейтрино, её чрезвычайно трудно исследовать, а делать это, по убеждению физиков, необходимо, если мы хотим понять происхождение вселенной.

Вот, например, явление двойного бета-распада. Так называют вспышку радиоактивного излучения, при которой два нейтрино взаимно уничтожают друг друга и исчезают. Это явление никогда и никто не наблюдал, более того ―  вполне вероятно, что двойной бета-распад нейтрино вероятно вообще никогда  не произойдет. Во всяком случае, чтобы наблюдать этот ядерный процесс в одном-единственном атоме, вам, скорее всего, придется прождать триллионы триллионов лет — намного больше, чем возраст Вселенной! И все же физики очень надеются увидеть это явление, поскольку оно будет означать, что у таинственной  частицы, нейтрино, есть еще много нераскрытых секретов.

Впрочем, кое-какие тайны нейтрино уже раскрыты.

Из-за крошечного этих частиц их чрезвычайно трудно исследовать, для этого требуется сложное массивное оборудование. Настоящей обсерваторией нейтрино является установка Супер Камиоканде (Super-K) в Японии. Это сооружение не менее грандиозно, чем более известный всем адронный коллайдер. Супер Камиоканде расположен в большой шахте на глубине в 1000 метров, в японской области Камиока (отсюда и название установки).

Обсерватория была создана для того, чтоб наблюдать за распадом протонов, изучать нейтрино, излучаемые Солнцем и наблюдать за звездами супернова в галактике Млечного Пути. Обсерватория была построена глубоко под землей, чтобы изолировать очень чувствительные датчики от космических лучей и других фоновых излучений.



Камиоканде состоит из 50 000 тонн чистейшей воды, помещенной в цилиндрический резервуар из нержавеющей стали, который составляет 41.1 метра в высоту и 39.3 метров в диаметре. Вся эта конструкция окружена 11 146 фототрубами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Когда нейтрино взаимодействует с электронами или ядрами воды, он производит заряженную частицу, которая перемещается в воде быстрее скорости света (не стоит путать это с превышение скорости света в вакууме, которое физически невозможно). В результате появляется конус света, известный, как радиация Черенкова. Сверхчувствительные датчики в деталях фиксируют все эти процессы и помогают их изучить.

Супер Камиоканде начал работать в 1996 году. До этого исследования происходили в похожей лаборатории под названием просто Камиоканде, без приставки Супер. Она была в 10 раз меньше и содержала в 15 раз меньше воды, чем новая обсерватория. Первым успехом нового Камиоканде было доказательство колебания нейтрино. Это было первым экспериментальным наблюдением, подтвердившим теорию о том, что у нейтрино есть масса, отличная от нуля. Теоретики размышляли об этом в течение многих лет
23 февраля 1987 года Камиоканде впервые обнаружил нейтрино от взрыва сверхновой звезды, который произошел в Большом Облаке Магеллана. Это подтвердило правильность теории взрыва сверхновых звезд, и дало начало новой эры в астрономии. Возможно, исследуя сегодня двойной бета-распад нейтрино, физики снова стоят на пороге важнейших открытий.

Как ни странно, в то время как в большинстве экспериментов ядерной физики охотники за частицами пытаются поймать их в детекторе, в экспериментах по безнейтринному двойному бета-распаду ищут выдающее это явление отсутствие частиц. Такой распад — вариант двойного бета-распада, хорошо изученного ядерного процесса, в котором радиоактивные атомы одного элемента превращаются в другой (например, ксенона в барий), высвобождая при этом пару электронов и пару нейтрино в качестве побочного продукта. Но, если, как подозревают многие физики, нейтрино — сами для себя античастицы, два нейтрино должны взаимно уничтожиться. Таким образом, экспериментаторы ищут все признаки двойного бета-распада, минус нейтрино.

Если это явление существует в природе, акт исчезновения нейтрино откроет несколько новых областей исследований. «Безнейтринный двойной бета-распад — неопровержимое свидетельство новой физики», — утверждает Картер Холл (Carter Hall), физик Университета Мэриленда. Возможно, самое соблазнительное заключается в том, что, если нейтрино и антинейтрино — одно и то же, это означало бы, что нейтрино в отличие от других элементарных частиц получают массу не от бозона Хиггса, а в результате другого, непонятного механизма. Дуализм природы нейтрино, возможно, поможет также объяснить, почему в нашей Вселенной антиматерия столь редка.

Проблеск надежды появился в 2001 году, когда группа физиков, работавших над экспериментом по двойному бета-распаду «Гейдельберг-Москва» объявила, что обнаружила признаки экзотического события. Но новые данные практически исключили вероятность этого. Детектор с германиевой решеткой «ГЕРДА» в Италии, который к настоящему времени должен был суметь подкрепить результаты эксперимента «Гейдельберг-Москва», до настоящего времени не дал положительного результата в поисках безнейтринного двойного бета-распада тяжелого изотопа германия. В следующем году в результате усовершенствования экспериментальной установки чувствительность «ГЕРДЫ» будет повышена до уровня, при котором многие специалисты по нейтрино ожидают обнаружить это явление.

Физики просеивают частицы, испускаемые и другими радиоактивными атомами, для которых безнейтринный двойной бета-распад также гипотетически возможен. В прошлом году ученые представили предварительные данные экспериментов, называемых «KamLAND-Zen» в Японии и «EXO-200» в Нью-Мексико, в обоих из которых они ищут следы распада изотопа ксенона. Ни в одном из них пока не было обнаружено каких-либо свидетельств безнейтринного распада, но впервые за несколько десятилетий поисков неуловимого явления физики проводят эксперименты, которые смогут такие свидетельства получить.

безнейтринный двойной бета-распад нейтрино супер камиоканде

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Михаил, 25 декабря 2013 г. 18:32:04

    В аннотации жирным шрифтом написано "нейтроны", а потом вся заметка про нейтрино. А в предложении после первого рисунка опечатка ещё интереснее: нейтрино солнца названы нейронами.

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий