Необычные частицы могут объяснить, почему мы существуем. Но можем ли мы их найти? ( 4 фото )

Уже много лет международная группа исследователей засела глубоко под горой в центральной Италии, неустанно собирая очень точные измерения с самого холодного кубического метра вещества в известной Вселенной. Ученые ищут доказательства того, что существует вид нейтрино, призрачных частиц, очень слабо реагирующих с веществом, которые неотличимы от своих собственных антиматериальных аналогов. И если они смогут их найти, то эти частицы могут разрешить космическую загадку, которая мучила физиков на протяжении десятилетий: почему вообще существует материя?

Мы давно знаем, что у материи есть «злой двойник», так называемая антиматерия. Для каждой фундаментальной частицы во Вселенной существует античастица, которая почти идентична своей сестре и имеет ту же массу, но противоположный заряд. Когда частица и античастица встречаются лицом к лицу, они аннигилируют друг с другом, создавая чистую энергию.

«У нас есть эта очевидная полная симметрия между материей и антиматерией», — сказал Томас О'Доннелл, профессор физики в Технологическом Университете Вирджинии. «Каждый раз, когда вы создаете кусок материи, вы также создаете уравновешивающий его кусок антиматерии, и каждый раз, когда вы уничтожаете кусок материи, вы должны уничтожить кусок антиматерии. Если это так, то у вас никогда не может быть одного больше, чем другого».


Трек первого обнаруженного позитрона — антиэлектрона.

Эта симметрия противоречит нашему нынешнему пониманию того, как возникла Вселенная. Согласно теории Большого взрыва, когда Вселенная расширилась из бесконечно малой сингулярности (точки) около 13.8 миллиардов лет назад, считается, что в ней появилось равное количество материи и антиматерии. Однако, когда астрономы сейчас изучают космос, они видят, что Вселенная почти полностью состоит из материи, без признаков того, что половина вещества — это антиматерия. Что еще более тревожно, если теория Большого взрыва верна, то мы — люди, Земля, Солнечная система — вообще не должны существовать.

«Если бы материя и антиматерия полностью подчинялись этой симметрии, то по мере развития Вселенной вся материя и антиматерия аннигилировали бы в фотоны, и не осталось бы материи для звезд, планет и нас с вами. Мы бы не существовали!» — сказал О'Доннелл. «Поэтому возникает большой вопрос: нарушилось ли это равновесие в ходе эволюции Вселенной?»

Именно на этот вопрос надеются ответить О'Доннелл и его коллеги. За последние два года их команда собрала и проанализировала данные эксперимента, проводимого на CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events, Криогенная подземная обсерватория для редких событий) в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, ища огонь, без которого, как известно, дыма не бывает, который положил бы конец этой космической тайне.


CUORE перед запуском.

CUORE, что в переводе с итальянского означает «сердце», ищет доказательства того, что некоторые неуловимые субатомные частицы, называемые нейтрино, являются их собственными античастицами — физики называют их майорановскими фермионами. Нейтрино, которые проходят как призраки через большую часть материи, чрезвычайно трудно обнаружить. На самом деле триллионы нейтрино, рожденные в огненной ядерной печи нашего Солнца, проходят через наши тела каждую секунду, и мы это никак не ощущаем.

Эксперимент CUORE ищет сигнатуру майорановских нейтрино, уничтожающих друг друга в процессе, называемом безнейтринным двойным бета-распадом. При обычном двойном бета-распаде два нейтрона внутри ядра атома одновременно превращаются в два протона, испуская пару электронов и антинейтрино. Это ядерное событие, хотя и чрезвычайно редкое и происходящее только раз в 100 квинтиллионов (10^20) лет для отдельного атома, наблюдалось в реальной жизни на большом количестве атомов.

Однако, если исследователи правы, и некоторые нейтрино являются настоящими майорановскими фермионами, то два антинейтрино, созданные во время распада, могут уничтожить друг друга и провести так называемый безнейтринный двойной бета-распад. Результат? Простые электроны, которые являются «обычным веществом». Если этот процесс на самом деле существует, он может быть ответственен за заселение ранней Вселенной обычной материей. Правда вот пронаблюдать его очень и очень сложно. По оценкам ученых, безнейтринный двойной бета-распад (если он вообще существует) для отдельного атома происходит только один раз за 10 септиллионов (10^25) лет.

«Безнейтринный распад — это то, что мы действительно хотим видеть, он нарушит правила, создавая материю без антиматерии», — сказал О'Доннелл, член коллаборации CUORE. «Это может стать первым ключом к реальному решению наблюдаемой разницы между веществом и антивеществом».


Обычный бета-распад, двойной бета-распад и безнейтринный двойной бета-распад.

Детектор CUORE собирался больше десятилетия, и на данный момент он является самым холодным кубическим метром вещества в известной Вселенной. Он состоит из 988 кубовидных кристаллов, изготовленных из диоксида теллура, охлажденных до 10 милликельвинов или минус 273 градуса по Цельсию, что совсем малость выше самой низкой температуры, которую позволяет физика.

Чтобы оградить эксперимент от помех со стороны внешних частиц, таких как космические лучи, детектор заключен в толстый слой из высокочистого свинца, полученного из слитков, которые вез 2000-летний римский корабль, потерпевший крушение. Очень старый свинец является чистым, плотным и намного менее радиоактивным, чем недавно добытый металл, поэтому он идеально подходит для защиты чувствительных экспериментов от помех извне.

Несмотря на технологические достижения команды, обнаружение безнейтринного распада оказалось непростой задачей. Непрерывно собирая данные с 2017 года, они получили самый большой массив информации, когда-либо собранный детектором частиц такого рода. Их последние результаты, опубликованные предварительно на arXiv, показывают, что они не обнаружили никаких доказательств существования безнейтринного двойного бета-распада.

Коллаборация CUORE по-прежнему полна решимости выследить эту неуловимую частицу-двойного агента. Их результаты наложили более жесткую оценку на ожидаемую массу майорановского нейтрино, которое, по крайней мере, в 5 миллионов раз легче электрона. Команда планирует обновить CUORE после пяти лет непрерывной работы, введя новый тип кристаллов, которые, как они надеются, значительно улучшат его чувствительность.

«Если история хорошо предсказывает будущее, то мы можем быть совершенно уверены, что развитие детекторных технологий позволит нам изучать нейтрино все глубже и глубже», — сказал О'Доннелл. «Надеюсь, мы обнаружим безнейтринный двойной бета-распад, или, возможно, что-то более экзотическое и неожиданное».