Главная » Статьи » Детектор CUPID-0 получил первые результаты по поиску двойного безнейтринного бета-распада

Детектор CUPID-0 получил первые результаты по поиску двойного безнейтринного бета-распада

CUPID Collaboration / Eur. Phys. J. C

Физики из Италии и Франции в ходе эксперимента CUPID-0 получили самый низкий в истории уровень фонового загрязнения для болометрических измерений и установили ограничение на период двойного безнейтринного бета-распада, которое составило примерно 1024 лет. При этом детектор весил всего несколько килограммов, хотя обычно масса установок по поиску этого типа распада доходит до нескольких тонн. Такого результата ученым удалось добиться за счет добавления в установку фотонных детекторов. Статья опубликована в Physical Review Letters, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Одна из больших загадок современной физики — это барионная асимметрия, то есть преобладание вещества над антивеществом в видимой Вселенной. Очевидно, что в рамках Стандартной модели объяснить отличие между суммарными массами вещества и антивещества нельзя — в этой модели каждой частице соответствует античастица, а разность между числом частиц и античастиц (барионное число) сохраняется во всех возможных процессах. Другими словами, частицы могут рождаться или исчезать только в паре с соответствующими античастицами — например, электрон может аннигилировать в фотон только в паре с позитроном. Тем не менее, в некоторых расширениях Стандартной модели допускается существование частиц, которые являются античастицами сами для себя. Такие частицы, впервые описанные в 1937 году итальянским физиком-теоретиком Этторе Майорана, называются майорановскими фермионами. Если майорановские фермионы действительно существуют, они будут аннигилировать друг с другом и нарушать барионное число, и это позволит объяснить барионную асимметрию Вселенной.

Ученые до сих пор не знают, существуют ли майорановские фермионы на самом деле. Основными кандидатами на эту роль выступают нейтрино — частицы, которые очень слабо взаимодействуют с веществом и имеют очень маленькую, но не нулевую массу. Как правило, для экспериментального подтверждения майорановской природы нейтрино ученые используют двойной безнейтринный бета-распад, в ходе которого ядро радиоактивного элемента испускает два электрона и увеличивает свой заряд на двойку. Кратко этот процесс обозначают как 0νββ: 0 нейтрино и две бета-частицы. В ходе обычного бета-распада один из нейтронов ядра превращается в протон, параллельно испуская электрон и электронное антинейтрино, а в ходе двойного бета-распада подобные превращения происходит одновременно с двумя нейтронами. Если нейтрино действительно являются майорановскими фермионами, они аннигилируют сразу же после рождения, и экспериментаторы увидят только электроны. Таким образом, регистрация двойного безнейтринного бета-распада будет служить надежным доказательством майорановской природы нейтрино.

К сожалению, увидеть этот процесс на практике очень сложно из-за его крайне низкой вероятности. Двойной бета-распад сам по себе происходит очень редко — например, период полураспада ядер теллура-128 по этому каналу составляет более 1024 лет, что на сегодняшний день является абсолютным рекордом среди радиоактивных изотопов. Более того, вероятность того, что родившиеся нейтрино успешно аннигилируют, пропорциональна массе частиц, которая по последним оценкам не превышает десятой доли электронвольта. Это еще больше осложняет регистрацию процесса. Тем не менее, физики продолжают совершенствовать детекторы и постепенно приближаются к теоретическим оценкам на период полураспада.

В частности, в ходе эксперимента CUPID-0 (CUORE upgrade with particle identification) ученые построили подобный детектор, чувствительность которого в сто раз превышает чувствительность похожей установки (CUORE). Новый детектор состоит из 24 обогащенных и двух природных цинк-селеновых кристаллов суммарной массой около десяти килограммов, сгруппированных в колонну и охлажденных до температуры порядка 10 милликельвинов. При таких низких температурах теплоемкость кристаллов стремится к нулю, а потому даже самое незначительное выделение энергии, сопровождающее распады частиц, заметно нагревает образец. Отслеживая такие колебания температуры с помощью чувствительных термометров, можно регистрировать распады частиц; подобные устройства называют криогенными калориметрами, или болометрами. Кроме того, физики дополнительно снабдили установку детектором фотонов, который позволил им отсекать фоновые события, мешающие распознать двойной безнейтринных бета-распад. В частности, чувствительность предыдущего детектора CUORE в основном ограничивалась загрязнением из-за альфа-частиц, которые рождались в медных подставках, удерживающих кристаллы. Также в целях снижения фонового сигнала детектор сооружался в Национальной лаборатории Гран-Сассо, находящейся на глубине около 1,5 километров под землей.

Построенная учеными установка собирала данные с июня по декабрь 2017 года, причем в ходе эксперимента ученые четыре раза калибровали детектор, чтобы повысить его точность. Каждое повышение температуры, которое могло бы сопровождать двойной безнейтринный бета-распад, ученые анализировали по отдельности, используя шесть параметров, которые описывают энергетический спектр сигнала, и сравнивая степень его сходства с ожидаемым сигналом. Уровень неучтенного фонового сигнала при этом составил порядка 3,6×10−3 отсчетов на килоэлектровольт на килограмм в год, что является самым низким в истории уровнем для болометрических измерений. К сожалению, ученым не удалось зарегистрировать ни одного события, отвечающего безнейтринному бета-распаду. Полученные ими ограничения на период этого процесса составили примерно T > 2,4×1024 лет, а ограничения на массу нейтрино порядка m < 376–770 миллиэлектронвольт.

Стоит отметить, что CUPID-0 — это только первая, «пробная» версия установки, для которой ученые «оттачивали» новый метод детектирования, поэтому прорывных результатов от него не ждали. Построенный детектор проработал всего полгода и содержал всего шесть килограммов селена, причем четыре кристалла из 26 не работали должным образом, и их пришлось исключить из рассмотрения. Тем не менее, благодаря существенному уменьшению фоновых событий за счет фотонных детекторов, чувствительность CUPID-0 более чем в десять раз превысила чувствительность эксперимента NEMO, который проработал гораздо дольше. Поэтому в скором времени ученые планируют построить «полноценный» детектор, содержащий около тонны селена, и улучшить ограничения на период двойного безнейтринного распада на несколько порядков — или наконец увидеть этот процесс.

В октябре прошлого года группа CUORE опубликовала результаты двухмесячного сеанса работы «старшего брата» детектора, в котором вместо селена-82 использовался теллур-130. Измеренное тогда ограничение на период двойного безнейтринного бета-распада составило примерно 1021 лет; ожидается, что в будущем чувствительность детектора позволит довести его значение до величины порядка 1026 лет, которая согласуется с результатами теоретических расчетов. Тем не менее, этот предел уже достигался в другом эксперименте, проводимом группой KamLAND-Zen и использующем в качестве исходных атомов ксенон-136. Более того, в будущем он может быть сдвинут еще больше — ученые уже сейчас предлагают методы, которые повысят распознаваемость распадов в ксеноне и позволят существенно увеличить массу детекторов.

Дмитрий Трунин