Нейтрино — не фермион Майораны: Неуловимый безнейтринный двойной бета-распад

Наблюдения не подтверждают предположение о том, что нейтрино может быть собственной античастицей: физикам не удалось получить свидетельства того, что безнейтринный двойной бета-распад возможен.
7
8422
  • Экспериментальная установка GERDA в лаборатории Гран-Сассо.
    Экспериментальная установка GERDA в лаборатории Гран-Сассо.
  • Диаграмма Фейнмана для бета-распада.
    Диаграмма Фейнмана для бета-распада.
  • Диаграмма Фейнмана для безнейтринного двойного бета-распада.
    Диаграмма Фейнмана для безнейтринного двойного бета-распада.

Давний спор в среде физиков, кажется, улажен — в наименее интригующую сторону. Над этим потрудились исследователи, работающие с германиевыми детекторами GERDA Национальной лаборатории Гран-Сассо (Италия), расположенными на глубине 1400 м. Продолжительные наблюдения не выявили признаков безнейтринного двойного бета-распада.

Обычный бета-распад происходит, когда нейтрон превращается в протон, испуская электрон и нейтрино (или антинейтрино) — частицу, лишенную заряда и с очень малой массой. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Долгое время они оставались в числе кандидатов на роль фермионов Майораны — частиц, являющихся собственными античастицами.

Более редкий тип бета-распада — двойной, когда два нейтрона в ядре одного атома одновременно превращаются в протоны, электроны и нейтрино (антинейтрино). Безнейтринный двойной бета-распад противоречит Стандартной модели, но допускается некоторыми её расширениями при условии, что нейтрино является фермионом Майораны.

Если рассматривать подробнее процесс «превращения» нейтрона в протон, можно отметить, что сопутствующее преобразование d-кварков в u-кварки не сразу дает нейтрино (антинейтрино). Сперва образуется бозон W⁻.

В Стандартной модели этот бозон превращается в электрон и антинейтрино. Но если верна другая модель, предусматривающая существование фермионов Майораны, пара бозонов W⁻ поведет себя иначе: один из них распадется на электрон и антинейтрино, а второй поглотит эту пару, испустив электрон.

Поэтому получить на практике свидетельства безнейтринного двойного бета-распада означало бы доказать, что нейтрино — уникальная частица, являющаяся и материей, и антиматерией одновременно (фотоны, являющиеся собственными античастицами, не в счет, поскольку они — безмассовые).

В 2001 году внимание ученых привлекло заявление группы физиков из Института Макса Планка (Германия), использовавших оборудование Гран-Сассо для экспериментов с изотопом германия-76, ядра которого — одни из немногих обладающих нужным для двойного бета-распада числом протонов и нейтронов. Исследователи утверждали, что получили свидетельства безнейтринного двойного бета-распада, однако их независимые коллеги оспорили чистоту эксперимента.

Для того чтобы отличить обычный двойной бета-распад от безнейтринного, используются детекторы, фиксирующие энергию испускаемых электронов. При двойном бета-распаде часть энергии системы «уносится» нейтрино, поэтому энергия электронов всегда будет ниже теоретического минимума. Но если детекторы зафиксируют достаточное количество электронов с высокими энергиями — это может быть свидетельством существования безнейтринного двойного бета-распада. Физики из Института Макса Планка зафиксировали такие события, однако, по мнению оппонентов, они не исключили обычный радиоактивный распад, который также мог стать причиной подобного сигнала.

Повторив эксперимент на более совершенном оборудовании, другая группа исследователей (из 19 различных НИИ и университетов Европы) не обнаружила признаков безнейтринного двойного бета-распада. Конечно, это не доказывает его принципиальную невозможность. Но такой распад, если он вообще происходит, может случаться настолько редко, что для его обнаружения потребуется германиевый детектор весом не 18 кг (как в последнем эксперименте), а целую тонну.

По сообщению Science Now

Комментарии

7 комментариев