Для поиска чрезвычайно редких процессов, обещающих гигантский прорыв в нашем понимании современной физики, ученые используют не только самые современные детекторы, но и продукты технологии двухтысячелетней давности.
Зачем современным физикам древнеримские свинцовые слитки?

Капитан большого римского парусного торгового судна, вероятно, был весьма раздосадован, когда бросил якорь всего лишь в какой-нибудь миле от берегов Сардинии. Судно было загружено добытым в шахтах Картахены свинцом, предназначавшимся для изготовления амуниции (снарядов для пращей). Но, судя по сведениям, которые получил капитан, шансы доставить груз получателю с каждой минутой становились все более призрачными: повстанцы контролировали ближайшие порты (и даже, возможно, захватили несколько военных кораблей, так что бегство становилось бессмысленным). В конце концов чувство долга (а также и страх перед римской армией) пересилило, и капитан отдал приказ. Снизу послышались удары топоров, судно накренилось и стало медленно тонуть, в то время как матросы попрыгали в воду и уже плыли к берегу. Главное — важный стратегический груз не достался врагу.

Древний клад

Свинцовые слитки пролежали на дне Тирренского моря всего в полутора милях от Ористано 2000 лет, пока в 1988 году их не обнаружили местные дайверы. Находка заинтересовала итальянское Управление археологического надзора Кальяри, ее тщательно отметили на картах, но поднимать не спешили. Причина была довольно банальной: для подъема почти тысячи свинцовых слитков, каждый весом 33 кг, требовалось немало средств, которых в бюджете управления не было. Помощь пришла с неожиданной стороны: газета с заметкой о находке случайно попалась на глаза Этторе Фиорини, физику из Миланского университета Бикокка. Оказалось, что римский свинец очень нужен физикам. Нужен настолько, что итальянский Национальный институт ядерной физики (INFN) предложил оплатить операцию по подъему груза с затонувшего римского судна в обмен на «долю клада» в натуральном виде. Археологи и историки, скрепя сердце и скрипя зубами, согласились, и в 1991 полторы сотни слитков были переданы итальянским физикам, которые изготовили из них свинцовые экраны для детекторов, установленных в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии.

«Выдержанный» металл

Зачем же работа римских металлургов понадобилась современным физикам? Дело в том, что свежевыплавленный из руды свинец содержит небольшие примеси нестабильных элементов. В основном это изотоп свинец-210, претерпевающий бета-распад с периодом полураспада 22,3 года. На качестве амуниции для пращей это, конечно, никак не сказывается, как и для огромного количества современных применений, а вот для физиков имеет принципиальное значение. Свинец используется как материал для экранирования сверхвысокочувствительных детекторов во многих экспериментах по обнаружению различных частиц. Поскольку недавно добытый свинец сохраняет слабую природную радиоактивность, он служит источником помех и, по словам Этторе Фиорини, не подходит для подобных задач. Обычно в таких случаях используют особый свинец, обедненный 210-м изотопом, но его цена очень высока. Поэтому римские слитки, в которых за 2000 лет распалась б? льшая часть свинца-210, оказались весьма кстати. Исследования, проведенные физиками из INFN, показали, что уровень остаточной радиоактивности древнего свинца составляет всего лишь 4 мБк/кг, что в 100 000 раз меньше, чем у «новодела», и в 100 раз меньше, чем у специального, обедненного 210-м изотопом металла. Поэтому для эксперимента коллаборации CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) INFN в 2010 году использовал дополнительные 120 слитков, чтобы создать для детекторов, расположенных глубоко под землей, трехсантиметровую свинцовую броню, экранирующую посторонние излучения. В экспериментах CUORE (и ряда других коллабораций) ученые надеются найти новый тип радиоактивности, предсказанный три четверти века назад, — двойной безнейтринный распад. Это открытие может стать достижением такого же масштаба, как и долгожданный отлов бозона Хиггса.

С нейтрино и без

В конце XIX века была открыта бета-радиоактивность атомных ядер, при которой заряд ядра изменяется на единицу, а его масса практически сохраняется. У природных изотопов наблюдается только электронный бета-распад, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино (у искусственных бывает и позитронный). В 1935 году будущий лауреат Нобелевской премии Мария Гёпперт-Майер теоретически доказала, что возможен бета-распад с возникновением двух электронов и двух антинейтрино. Ее прогноз подтвердили в 1987 году физики из Калифорнийского университета в Ирвайне, которые обнаружили превращение селена-82 в криптон. Столь долгие поиски двойного бета-распада объясняются исключительной стабильностью нуклидов, у которых он наблюдается. Все они (а их всего 11) имеют период полураспада порядка 10 в 20 степени лет, что в миллиарды раз больше возраста Вселенной.

А теперь экспериментаторы ищут еще одну разновидность двойного бета-распада, предсказанную в 1939 году американским физиком-теоретиком Уэнделлом Фарри. Он исходил из теории, предложенной итальянцем Джулио Рака, которая базировалась на очень красивой гипотезе Этторе Майораны (оба они были учениками Энрико Ферми). Она разрешает существование частиц с полуцелым спином (фермионов), которые являются своими собственными античастицами. Фото Бета-распад обусловлен слабым взаимодействием и изменяет заряд ядра на единицу без изменения массового числа — с излучением бета-частицы (электрона или позитрона) и электронного антинейтрино или нейтрино соответственно. При двойном бета-распаде излучается две бета-частицы и два антинейтрино (или нейтрино). Двойной безнейтринный бета-распад может существовать, только если нейтрино является майорановской частицей (нейтрино тождественно антинейтрино).

Майорана допускал, что такими частицами могут быть электроны и позитроны, однако Рака показал, что в эту модель вписывается только нейтрино. Фарри пришел к выводу, что в этом случае один из нейтронов, задействованных в двойном бета-распаде, может поглотить антинейтрино, испущенное другим нейтроном. В результате оба нейтрона превратятся в протоны, но за пределы ядра вылетят одни электроны. Такой процесс называется двойным безнейтринным бета-распадом.

Загадки Вселенной

Реальный интерес к теории Фарри возник в середине 1980-х, когда физики всерьез задумались о выходе за рамки Стандартной модели (СМ). В этом плане двойной безнейтринный бета-распад сулит много интересного. Во‑первых, он нарушает принцип сохранения лептонного числа — один из краеугольных камней СМ. И в обычном, и в двойном бета-распаде одновременно возникают и лептоны, и антилептоны — электроны и антинейтрино. Рождение электрона изменяет лептонное число на единицу, рождение антинейтрино — на минус единицу, так что сумма остается неизменной. А бета-распад по Фарри увеличивает лептонное число на две единицы, что явно противоречит СМ. Считается, что наша Вселенная после Большого взрыва была заполнена как веществом, так и антивеществом, а к настоящему времени сохранила первое, но начисто лишилась второго. Одна из наиболее убедительных теорий, объясняющих исчезновение антивещества, основана на гипотезе несохранения лептонного числа. Поэтому наблюдение двойного безнейтринного бета-распада может раскрыть одну из главных загадок нашего мира.

Оно сулит и дополнительный приз. Подобные распады возможны лишь при ненулевой массе нейтрино, причем их вероятность тем выше, чем эта масса больше. Если их обнаружат, эту массу можно будет измерить напрямую, чего пока никто делать не умеет.

Как найти двойной распад

В принципе, эту задачу решить несложно. Вылетевшие при распаде частицы получают энергию за счет разницы между массами покоя начального и конечного ядер. При отсутствии нейтрино вся энергия приходится на электроны. Следовательно, нужно искать такие двойные бета-распады, где суммарная энергия пары электронов в точности равна этой разнице. Однако на практике для этого нужны высокочувствительные детекторы, способные очень точно регистрировать треки электронов, испущенных при двойном бета-распаде. Для подавления радиоактивного и теплового фона их нужно поместить глубоко под землей, окружить многослойными экранами и сильно охладить.

Физики ищут двойной безнейтринный бета-распад больше двадцати лет. В 2001 году немецкие ученые даже заявили о его регистрации, но их результаты подверглись серьезной критике и остались неподтвержденными. Так что эксперименты продолжаются.

Глубоко под землей

Фото Цилиндрическая время-проекционная камера, вдоль оси которой приложено электрическое поле, заполнена ксеноном-136. При его ионизации заряженными частицами выбитые электроны дрейфуют в электрическом поле и улавливаются сеткой. Фотоны при сцинтилляции обнаруживаются фотодетекторами (лавинными фотодиодами). Запаздывание электронного сигнала на сетке относительно светового дает возможность восстановить трек, а по интенсивности можно судить об энергии заряженных частиц.
Детектор международной коллаборации EXO-200 установлен на глубине 665 м в бывшей соляной шахте около Карлсбада в штате Нью-Мексико. Это цилиндрическая камера диаметром 40 и высотой 44 см, заполненная жидким ксеноном-136, ядра которого нестабильны относительно двойного бета-распада. Прибор собрали в сверхчистых условиях в Стэнфордском университете и в 2007 году доставили на место назначения. Чтобы максимально снизить загрязнение космическими частицами и избавиться от вибраций, контейнер с прибором транспортировали не самолетом, а на грузовике с мягкой подвеской, который без остановок вели двое шоферов.

В июне группа EXO-200 опубликовала отчет о наблюдениях за два года. Ученые пока не обнаружили ядер ксенона, испускавших одни электроны, однако пришли к выводу, что с 90%-ной вероятностью время их жизни превышает 1,1 х 10 в 25 степени лет. Эти результаты свидетельствуют, что масса электронного антинейтрино не превышает 0,2−04 эВ (конечно, эта оценка верна, лишь если оно является майорановской частицей). Сейчас уже понятно, что, если двойной безнейтринный бета-распад существует, он случается неизмеримо реже обычного двойного распада (хотя Фарри полагал, что дело обстоит как раз наоборот!). Члены коллаборации планируют обновить электронные системы детектора и возобновить эксперимент. Они также конструируют еще более чувствительный прибор, который рассчитывают разместить в шахте еще глубже.

Помощь из прошлого

Фото Римские металлурги, конечно, не подозревали, что за плодами их работы будут охотиться не только археологи, но и физики всего мира. Свинец, добытый в испанской Картахене и пролежавший 2000 лет на дне Тирренского моря вблизи Сардинии, оказался очень кстати для использования в самых современных научных экспериментах, целью которых является поиск некоторых чрезвычайно редких явлений, способных (в случае их обнаружения) значительно обогатить знания человечества о фундаментальных основах нашего мира.

Статья «Игры с малыми шансами» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2014).