Ученые использовали кубометр теллура, который многие годы держали при криогенных температурах, чтобы найти вещество, созданное в результате редкого ядерного процесса.
Нейтрино может быть одновременно материей и антиматерией? Физики до сих пор этого не знают, поэтому проводят эксперименты при нестандартных условиях.
Зачем нам эти эксперименты?
Наблюдения астрофизиков показывают, что Вселенная почти полностью состоит из материи, хотя мы почти не наблюдаем антивещество. Лабораторные эксперименты и эксперименты на коллайдере показывают, что можно создать как вещество, так и антивещество в равных частях.
Цель теории Большого взрыва — объяснить дисбаланс космической материи. Согласно ей, материю можно сгенерировать без антивещества в «малом взрыве», во время ультраредкого ядерного процесса, который называется двойной β-распад без нейтрино.
Теперь группа CUORE опубликовала в журнале Nature статью о том, как она искала этот тип распада с использованием изотопов теллура. Распад зафиксировать не удалось, но инженеры смогли поддерживать условия очень низкой температуры и одновременно приборы были очень чувствительными: для этого потребовалась стабильная работа более тонны экспериментального оборудования при криогенных температурах, близких к -273,149.
Что изучали авторы?
Объектом исследования была частица нейтрино. Эти частицы находятся везде. Бесконечное множество нейтрино проходит через один палец, когда человек читает это предложение. Нейтрино нельзя зафиксировать с помощью электромагнетизма или мощного сильного ядерного воздействия. Именно поэтому частицы могут проходить прямо сквозь человека и даже Землю.
Нейтрино очень много но, его сложно изучить. Физики на заре своих исследований считали, что у этих частиц нет массы. Позже выяснилось, что масса есть, хоть и незначительная.
Но на один вопрос ученые все еще не ответили: может ли нейтрино быть и материей, и антиматерией? У каждой частицы есть античастица, иначе говоря, такие же частицы, только состоящие из антивещества. Например, у электронов это антиэлектроны или позитроны, для кварков — антикварки, а у нейтронов и протонов есть антинейтроны и антипротоны. А вот у нейтрино такой античастицы не нашли.
Как изучить нейтрино?
Чтобы понять, есть ли у нейтрино гипотетическое антинейтрино, нужно попытаться воспроизвести возможно существующий вид радиоактивного распада, он называется двойным бета-распадом без нейтрино.
Сам бета-распад — это распространенная форма распада в некоторых атомах, с помощью него можно превратить нейтрон, который находится в ядре атома, в протон.
Если говорить о двойном бета-распаде, то это более редкое явление. В таком случае работает не один нейтрон, а уже два. Во время этого процесса они испускают два электрона и два антинейтрино. Поэтому физики хотят попробовать провести двойной бета-распад без нейтрино, чтобы понять, если ли у него античастица.
Как прошел эксперимент?
Исследователи из группы CUORE объявили в начале апреля 2022 года о новых результатах эксперимента. Авторы хотели изучить природу нейтрино.
Команда CUORE работает в лаборатории INFN Gran Sasso, которая защищена от внешнего мира с помощью стен и камня толщиной в 1,4 км. Там они провели один из самых чувствительных экспериментов в мире по изучению двойного бета-распада без нейтрино.
Результаты работы CUORE основаны на огромном наборе данных, он в 10 раз больше, чем любые другие аналогичные эксперименты. Пока что группа не смогла наблюдать двойной бета-распад без нейтрино, не смотря на сверхчувствительное оборудование. Вместо этого исследователи установили, что в среднем он происходит в одном атоме теллура не чаще, чем раз в 22 триллиона триллионов лет. Эта информация очень важна для новых открытий в физике элементарных частиц.
«Во время любых подобных экспериментов мы преследуем одну цель — понять, как образовалась материя», — сказал Карло Буччи, исследователь из Национальной лаборатории INFN Gran Sasso (LNGS). По словам Роджера Хуана, постдокторанта из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики, ученые ищут процесс, нарушающий симметричность природы.
«Если мы увидим двойной бета-распад без нейтрино, он станет самым редким процессом, который люди когда-либо зафиксировали. Его период полураспада более чем в миллион миллиардов раз превышает возраст Вселенной», — сказала Даниэль Спеллер, доцент Университета Джона Хопкинса и член Физического совета CUORE.
По словам исследователей, несмотря на то, что они не смогли зафиксировать долгожданный процесс, они довольны результатами работы, в частности технической составляющей. Чувствительность детектора была невероятно высокой: когда в Чили и Новой Зеландии произошли сильные землетрясения, исследователи видели эту активность на детекторе. По словам Лаура Марини, научного сотрудника из института Гран-Сассо, они могли наблюдать, как волны бьются о берег Адриатического моря, в 60 км от лаборатории.
Как такие эксперименты будут проводить в будущем?
На основе CUORE собираются создать следующие поколения экспериментов. Преемник CUORE — это CUPID. Его уже разрабатывают, предполагается, что он будет в 10 раз чувствительнее, чем CUORE.
Читать далее:
Спустя десять лет работы ученые усомнились в стандартной модели физики
В MIT создали неподвижный тепловой двигатель, который превзошел КПД турбин
Стартап создал крошечных роботов, которые работают в человеческом мозге