Эксперимент CUORE - еще одна попытка взвесить нейтрино
26.09.2002
Ученых не оставляют в покое проблемы, связанные с массой и энергией нейтрино. От характеристик этих неуловимых частиц зависит во многом судьба таких основополагающих теорий физики микромира, как Стандартная модель.
Эксперимент CUORE - еще одна попытка взвесить нейтрино
Ученых не оставляют в покое проблемы, связанные с массой и энергией нейтрино. От характеристик этих неуловимых частиц зависит во многом судьба таких основополагающих теорий физики микромира, как Стандартная модель.
Физики Университета штата Вашингтон решили прояснить, сколько же нейтрино производится в ядерной топке нашего Солнца и какова их энергия. Используя университетский ускоритель, исследователям удалось увеличить в пять раз точность измерений количества и энергии нейтрино, получаемых при модельном воспроизведении условий термоядерного синтеза в недрах Солнца. Согласно новым данным, наше светило должно испускать на 17% нейтрино больше, чем считалось до сих пор.
Недавние успехи экспериментов по поиску нейтринных осцилляций взбудоражили мир физики элементарных частиц. Эксперимент Super-Kamiokande (Япония) заявил в 1998 году об обнаружении осцилляций атмосферных нейтрино. В прошлом году эксперимент SNO, проводящийся в подземной лаборатории Sudbury в Канаде, подтвердил эти наблюдения также и для солнечных нейтрино. Революционность этого открытия заключается в том, что наличие осцилляций однозначно свидетельствует о наличии у нейтрино ненулевой массы. Стандартная теория, до сих пор блестяще описывавшая явления физики микромира, постулирует нулевую массу нейтрино. Таким образом, обнаружение массы этой частицы должно пролить свет на прошлое и будущее Вселенной. Это будет означать прорыв в новую физику и являться огромным шагом на пути к объединению четырех фундаментальных взаимодействий.
Для построения новых теорий нужны, однако, не столько качественные, сколько количественные ответы. В ближайшие годы такие эксперименты как MINOS, начавщий только что сбор данных KamLAND, CNGS и другие, использующие искусственные источники нейтрино от реакторов и ускорителей, сумеют не только подтвердить результаты своих коллег, но и померить параметры осцилляций с высокой точностью. Однако осцилляционные эксперименты способны измерить только разницу между массами трех известных нам типов нейтрино - электронным, мюонным и тау-нейтрино (точнее говоря, эти эксперименты меряют разницу квадратов их масс), но не абсолютные значение массы.
Наиболее чувствительным способом определения абсолютной шкалы массы нейтрино является на сегодняшний день поиск безнейтринного двойного бета-распада - 2β(0ν) - в различных ядрах. Этот процесс подобен известному нам со школьной скамьи простому бета-распаду, с той разницей, что два бета-распада происходят в ядре одновременно и не сопровождаются излучением антинейтрино. Как и нейтринные осцилляции, процесс возможен, если нейтрино имеет массу. Кроме того, нейтрино в этом случае должно быть майорановской частицей (т. е. должно быть тождественно своей античастице). С экспериментальной точки зрения наблюдение 2β(0ν)-распада означает регистрацию моноэнергетического пика от двух излученных в распаде электронов и измерению периода полураспада изотопа-источника 2β-распада. По найденному значению периода полураспада можно вычислить массу нейтрино. Если этот процесс действительно существует, вероятность его чрезвычайно низка: речь идет о регистрации нескольких событий в год на фоне огромного количества событий, имитирующих пик от 2β(0ν)-распада.
Экспериментальный поиск 2β(0ν)-распада имеет богатую, более чем полувековую историю. Несмотря на это, он до сих пор не был обнаружен. Традиционно, эти эксперименты причислялись к классу небольших проектов. Во многом это было связано с дороговизной и технологическими сложностями процедуры обогащения, необходимой для получения изотопа - потенциального два бета-распадчика. Как правило, речь шла о нескольких сотнях грамм исследуемого изотопа. Однако времена "малых" 2β экспериментов прошли. Расчеты показывают, что масса самого легкого электронного нейтрино (которую и меряет 2β-эксперимент) не превышает 0,1 эВ. Для достижения такой невероятно высокой чувствительности современные 2β-проекты планируют использовать сотни килограмм, а иногда и тонны исследуемого изотопа.
К числу таких грандиозных проектов относится и эксперимент CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events - Подземная криогенная обсерватория редких событий), предложенный группой миланских ученых во главе с профессором Этторе Фиорини. Для уменьшения фона от космических лучей эксперимент предполагается разместить в низкофоновой подземной лаборатории Гран-Сассо, расположенной в Италии недалеко от Рима. В качестве исследуемого изотопа выбран теллур-130, и выбор этот не случаен. Дело в том, что распространенность этого изотопа в естественной смеси теллура довольно велика (более 30%), а, значит, можно избежать дорогого процесса обогащения и использовать натуральный теллур. В качестве детектора будут использованы около тысячи специально выращенных кристаллов оксида теллура, каждый весом в 750 грамм. Для регистрации 2β-распада будет использоваться сравнительно новая для физики элементарных частиц технология - болометрия.
Вкратце, суть ее заключается в следующем. Кристалл теллура охлаждается до ультранизкой температуры, близкой к абсолютному нулю. При таких температурах кристалл оказывается в таком специфичном состоянии, когда даже ничтожное изменение температуры вызывает значительное изменение электрического сопротивления тела. Таким образом, в отличие от стандартной для физики частиц методики измерения ионизационного сигнала, болометры меряют тепловой сигнал. Излученные в процессе двойного бета-распада электроны теряют свою кинетическую энергию в кристалле, что приводит к выделению тепла и изменению температуры кристалла. Изменение температуры влечет за собой изменение сопротивления, которое можно померить. По величине изменения сопротивления судят об амплитуде сигнала. Огромным преимуществом болометров является их чрезвычайно высокое энергетическое разрешение, превышающее даже аналогичное разрешение германиевых детекторов. Высокое разрешение необходимо для снижения фона в исследуемом энергетическом интервале. Однако у новой технологии есть и свои подводные камни. Электрические сигналы, снимаемые с детектора, очень медленные - порядка миллисекунд, а это значит, что очень трудно будет бороться со всевозможными электромагнитными наводками, мешающими регистрации малых сигналов.
Группа Фиорини стала одним из пионеров болометрии. Именной ей принадлежит лучшее на сегодняшний день ограничение на период полураспада теллура-130, померенное тем же способом. В настоящее время эта технология активно используется и в других, родственных с 2β-распадом областях, например, для поиска темной материи. Сам Фиорини считает, что пришло время применить технологию в таких крупномасштабных экспериментах как CUORE.
Ожидается, что CUORE будет обладать уникальной чувствительностью и окажется способным "взвесить" электронное нейтрино, даже если его масса составляет всего 0.02 эВ. В случае обнаружения положительного эффекта, необходимо будет подтвердить результат, используя другой изотоп. И такие проекты уже есть, в частности, коллаборации GENIUS и MAJORANA планируют исследовать изотоп германия-76.
Такая чувствительность в совокупности с последними результатами осцилляционных экспериментов позволяет серьезно рассчитывать на то, что в совсем уже недалеком будущем более чем 60-ти летняя погоня за массой неуловимой частицы увенчается успехом.
Рубен Саакян, UCL, Лондон