Физики подвели первые итоги эксперимента, призванного выяснить, почему существует материя

Коллаборация CUORE сообщает о результатах первых двух месяцев эксперимента по проверке гипотезы, что нейтрино является своей собственной античастицей. Положительный результат мог бы стать ответом на вопрос, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией. Пока свидетельствующий об этом процесс аномального распада ядер теллура не обнаружен, но это и означает, что всё идёт по прогнозам учёных. Эксперимент рассчитан на пять лет.

Напомним, что помимо электронов, протонов, нейтронов и других частиц существуют также антиэлектроны (позитроны), антипротоны, антинейтроны и так далее. У каждого класса частиц есть свой "злой близнец". Когда частица встречается со своей античастицей, они обе превращаются в излучение (аннигилируют, как говорят специалисты).

Античастица чрезвычайно похожа на свою частицу. Она имеет такую же массу, такой же по величине (но противоположный по знаку) электрический заряд и так далее. Образно говоря, антиматерия ничем не хуже материи.

Но, если бы после Большого взрыва частиц и античастиц образовалось ровно поровну, они все проаннигилировали бы, и получилась бы "безвидная и пустая" Вселенная с одним только излучением. По какой-то причине материи оказалось больше, и из этого избытка состоит всё вокруг нас и мы сами.

Почему так произошло? Учёные не знают. "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) уже немного рассказывали об этой загадке.

Одна из гипотез гласит, что нейтрино является не только частицей, но и своей же собственной античастицей. Согласно головоломным расчётам теоретиков, это могло бы объяснить избыток энергии во Вселенной.

Но как это проверить? Невозможно столкнуть два нейтрино и посмотреть, будут ли они аннигилировать. Эти частицы очень редко взаимодействуют с материей (что, впрочем, скорее повод для радости, ибо тело каждого из нас постоянно пронзается миллиардами нейтрино, испущенных Солнцем).

"Палочкой-выручалочкой" мог бы стать гипотетический процесс, известный как безнейтринный двойной бета-распад. Это явление нарушает один из незыблемых экспериментальных законов физики элементарных частиц, закон сохранения лептонного числа, и потому невозможен в Стандартной модели. Однако многие физические теории, "достраивающие" эту модель в областях, ещё недоступных экспериментаторам, предсказывают такой процесс. Но наблюдать его ещё никогда не удавалось.

Именно этот неуловимый распад и пытается зафиксировать коллаборация CUORE, объединяющая полторы сотни учёных из разных стран, в основном США и Италии. В горах Средней Италии глубоко под землю упрятаны 19 боксов, каждый из которых содержит 52 кубических кристалла диоксида теллура. Эти кубики охлаждены до рекордно низкой температуры, которая выше абсолютного нуля лишь на миллионную долю градуса. Это нужно, чтобы фиксировать ничтожные всплески энергии, вызванные радиоактивным распадом ядер теллура. К каждому кристаллу прикреплены соответствующие датчики.

В обычном двойном бета-распаде ядро выделяет два электрона и два антинейтрино. Но, если антинейтрино и нейтрино суть одно и то же, то крайне редко они будут взаимно уничтожать друг друга "ещё до вылета", и ядро будет испускать только электроны.

Два этих случая можно различить по тому, сколько энергии выделилось в результате события. Безнейтринный распад соответствует энергии в 2,5 мегаэлектронвольта.

"CUORE похож на гигантский термометр, – объясняет Линдлей Уинслоу (Lindley Winslow) из Массачусетского технологического института, США. – Всякий раз, когда вы видите выделение тепла кристалле, вы получаете импульс, который вы можете оцифровать. Затем вы смотрите на эти импульсы, а высота и ширина импульса соответствуют тому, сколько энергии там было. Потом вы увеличиваете [импульсы] и подсчитываете, сколько событий было на уровне 2,5 Мэв, и мы, по сути, ничего не видели. Это, вероятно, хорошо, потому что мы не ожидали ничего увидеть в данных за первые два месяца".

Действительно, теория предсказывает, что безнейтринный двойной бета-распад должен быть чрезвычайно редким процессом. Если бы детектор сразу же защёлкал соловьём, это означало бы, что либо физики чего-то очень серьёзно не понимают, либо инструмент неправильно рассчитан и даёт ложные срабатывания.

"Это очень редкие события. Если они будут наблюдаться, это будет самый медленный процесс, который когда-либо был зафиксирован", – комментирует Уинслоу.

Исходя из полученных за два месяца данных, учёные вычислили, что период полураспада теллура для этого процесса превышает 10²⁵ лет. Для сравнения: это тысяча триллионов нынешних возрастов Вселенной.

Но период полураспада – величина статистическая, а, как известно, атомов в стакане воды больше, чем стаканов воды в Мировом океане. Эксперимент CUORE рассчитан на пять лет. За это время учёные надеются наблюдать распад не менее пяти ядер. Далее планируется запустить детектор следующего поколения, CUPID.

"Если мы не увидим его [распада] в течение 10–15 лет, то, если природа не выбрала что-то действительно странное, нейтрино, скорее всего, не является своей собственной античастицей", – признаётся Уинслоу.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" писали о других масштабных экспериментах в физике частиц, в частности, о регистрации космических нейтрино и поисках неуловимой тёмной материи.