От физиков вновь ускользнули майорановские нейтрино

Физики из США, Канады, России, Китая, Южной Кореи и Германии, входящие в состав коллаборации EXO-200, в своем эксперименте не обнаружили доказательств существования майорановских нейтрино. Исследование ученых опубликовано в журнале Nature, кратко с его содержанием можно ознакомиться на сайте Мюнхенского технического университета.

Исследователи в рамках эксперимента искали следы безнейтринного двойного бета-распада изотопа ксенона Xe-136, в результате которого электрический заряд атомного ядра ксенона увеличился бы на две единицы с испусканием двух бета-частиц (двух электронов). Ученые представили данные за последние два года исследований, согласно которым физикам не удалось наблюдать следов такого процесса. Работа специалистов позволила оценить нижний предел для периода безнейтринного полураспада Xe-136 в 1025 лет, что в миллион миллиардов раз больше времени существования Вселенной. Масса нейтрино по-прежнему оценивается десятыми долями электронвольт.

Двойной бета-распад — разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В отличие от обычного бета-распада, двойной бета-распад является самым редким из радиоактивных распадов: для всех 11 нуклидов, у которых наблюдался такой процесс, период полураспада больше, чем 7x101 лет.

В безнейтринном двойном бета-распаде, как ясно из названия, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу. В Стандартной модели — современной теории физики элементарных частиц — безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).

Сама частица нейтрино является, подобно электрону, лептоном, с ее участием происходят процессы слабого взаимодействия. Нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом: длина свободного пробега в воде такой частицы может достигать порядка ста световых лет. Для того, чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Физики искали следы майорановских нейтрино в лаборатории, расположенной в Нью-Мексико в США на глубине 650 метров под землей, что позволило уменьшить влияние фоновых космического излучения и естественной радиации Земли. В эксперименте EXO-200 (Enriched Xenon Observatory — Обсерватория с обогащенным ксеноном) ученые использовали жидкий ксенон, который был обогащен до 80,6 процента изотопа Xe-136.

Поиски майорановских нейтрино и, в широком смысле, попытки обнаружения процессов, нарушающих законы сохранения лептонного и барионного чисел, являются попытками физиков выйти за пределы Стандартной модели: лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками калибровочного поля (в случае электрического заряда — электромагнитного поля). В настоящее время ученые продолжают эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, их целью является проверка различных гипотез и ограничений на расширения Стандартной модели (в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями).