Это достижение имеет решающее значение для разработки и предложения гораздо более крупного будущего эксперимента — примерно с тонной детекторов — для изучения природы нейтрино. Эти электрически нейтральные частицы слабо взаимодействуют с веществом, что делает их обнаружение чрезвычайно трудным.«Превышение количества вещества над антивеществом — одна из самых серьезных загадок в науке», — сказал Джон Вилкерсон из ORNL и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Вилкерсон возглавляет MAJORANA DEMONSTRATOR, в котором участвуют 129 исследователей из 27 организаций и 6 стран. «Наш эксперимент направлен на наблюдение явления, называемого« безнейтринный двойной бета-распад »в атомных ядрах.
Наблюдение продемонстрирует, что нейтрино являются собственными античастицами и имеют глубокие последствия для нашего понимания Вселенной. Кроме того, эти измерения могут дать лучшее понимание массы нейтрино ".В отчете Консультативного комитета по ядерной науке США при Министерстве энергетики и Национальном научном фонде от 2015 года эксперимент в тонном масштабе под руководством США по обнаружению безнейтринного двойного бета-распада был признан высшим приоритетом сообщества ядерной физики. Почти в десятке экспериментов был проведен поиск безнейтринного двойного бета-распада, и было предложено столько же будущих экспериментов.
Один из их ключей к успеху зависит от избегания фона, который может имитировать сигнал безнейтринного двойного бета-распада.Это было ключевым достижением MAJORANA DEMONSTRATOR. Его реализация была завершена в Южной Дакоте в сентябре 2016 года, почти в миле под землей, в подземном исследовательском центре Сэнфорда. Размещение эксперимента под скалой почти в милю было первым из многих шагов, которые предприняли сотрудники, чтобы уменьшить помехи от фона.
Другие шаги включали криостат, сделанный из самой чистой меди в мире, и сложный шестислойный экран для устранения помех от космических лучей, радона, пыли, отпечатков пальцев и естественных радиоактивных изотопов.«Если вы собираетесь искать безнейтринный двойной бета-распад, важно знать, что радиоактивный фон не будет подавлять сигнал, который вы ищете», — сказал Дэвид Рэдфорд из ORNL, ведущий ученый в эксперименте.Есть много способов распада атомного ядра.
Обычный режим распада происходит, когда нейтрон внутри ядра испускает электрон (называемый «бета») и антинейтрино, превращаясь в протон. В двойном бета-распаде с двумя нейтрино два нейтрона распадаются одновременно с образованием двух протонов, двух электронов и двух антинейтрино. Этот процесс наблюдается. Коллаборация MAJORANA ищет доказательства подобного процесса распада, который никогда не наблюдался, при котором не испускаются нейтрино.
Сохранение количества лептонов — субатомных частиц, таких как электроны, мюоны или нейтрино, которые не участвуют в сильных взаимодействиях, — было записано в Стандартной модели физики. «Для этого нет действительно веской причины, просто наблюдение, что, похоже, именно так», — сказал Рэдфорд. «Но если лептонное число не сохраняется, если добавить его к процессам, которые, как мы думаем, произошли в очень ранней Вселенной, это могло бы помочь объяснить, почему материи больше, чем антивещества».Многие теоретики считают, что лептонное число не сохраняется, что нейтрино и антинейтрино, которые, как предполагалось, имеют противоположные лептонные числа, на самом деле являются одной и той же частицей, вращающейся по-разному. Итальянский физик Этторе Майорана представил эту концепцию в 1937 году, предсказав существование частиц, которые являются собственными античастицами.
MAJORANA DEMONSTRATOR использует кристаллы германия как источник двойного бета-распада и как средство его обнаружения. Германий-76 (Ge-76) распадается на селен-76, который имеет меньшую массу. Когда германий распадается, масса преобразуется в энергию, которая уносится электронами и антинейтрино. «Если вся эта энергия пойдет на электроны, то нейтрино не останется», — сказал Рэдфорд. «Это явный признак того, что мы нашли искомое событие».
Ученые различают двухнейтринный и безнейтринный режимы распада по их энергетическим сигнатурам. «Распространенное заблуждение, что наши эксперименты обнаруживают нейтрино, — сказал Джейсон Детвилер из Вашингтонского университета, который является со-представителем коллаборации MAJORANA. «Это почти смешно, но мы ищем отсутствие нейтрино. В безнейтринном распаде выделяемая энергия всегда имеет определенное значение. В двухнейтринной версии выделяемая энергия варьируется, но всегда меньше, чем в безнейтринном распаде. двойной бета-распад ".ДЕМОНСТРАТОР MAJORANA показал, что период полураспада безнейтринного двойного бета-распада Ge-76 составляет по крайней мере 1025 лет — на 15 порядков больше возраста Вселенной.
Так что дождаться распада одного ядра германия невозможно. «Мы обходим невозможность наблюдения за одним ядром в течение длительного времени, вместо этого наблюдая порядка 1026 ядер в течение более короткого промежутка времени», — пояснил со-спикер Винсенте Джузеппе из Университета Южной Каролины.По словам Джузеппа, шансы обнаружить безнейтринный двойной бета-распад в Ge-76 редки — не более 1 на каждые 100000 двухнейтринных двойных бета-распадов.
Использование детекторов, содержащих большое количество атомов германия, увеличивает вероятность обнаружения редких распадов. В период с июня 2015 года по март 2017 года ученые не наблюдали никаких событий с энергетическим профилем безнейтринного распада, процесса, который еще не наблюдался (это ожидалось, учитывая небольшое количество ядер германия в детекторе).
Однако им было предложено увидеть множество событий с энергетическим профилем двухнейтринных распадов, что подтвердило, что детектор может обнаружить наблюдаемый процесс распада.Результаты сотрудничества MAJORANA совпадают с новыми результатами конкурирующего эксперимента в Италии под названием GERDA (от GERmanium Detector Array), в котором используется дополнительный подход к изучению того же явления. «MAJORANA DEMONSTRATOR и GERDA вместе имеют самый низкий фон из всех экспериментов с безнейтринным двойным бета-распадом», — сказал Рэдфорд.
ДЕМОНСТРАТОР был разработан, чтобы заложить основу для эксперимента в тонном масштабе, продемонстрировав, что фон может быть достаточно низким, чтобы оправдать создание более крупного детектора. Точно так же, как большие телескопы собирают больше света и позволяют видеть более слабые объекты, увеличение массы германия увеличивает вероятность наблюдения редкого распада.
При наличии в 30 раз большего количества германия, чем в текущем эксперименте, запланированный эксперимент весом в одну тонну сможет обнаружить безнейтринный двойной бета-распад всего одного ядра германия в год.MAJORANA DEMONSTRATOR планирует продолжить сбор данных в течение двух-трех лет. Между тем, слияние с GERDA находится в стадии разработки для разработки возможного детектора одной тонны под названием LEGEND, который планируется построить поэтапно на месте, которое еще не определено.LEGEND 200, демонстратор LEGEND и шаг к возможному будущему эксперименту в тонном масштабе, будет представлять собой комбинацию GERDA, MAJORANA и новых детекторов.
Ученые надеются приступить к первому этапу LEGEND 200 к 2021 году. Следующим этапом станет эксперимент LEGEND 1000, если он будет одобрен. «Это слияние увеличивает государственные инвестиции в MAJORANA DEMONSTRATOR и GERDA за счет объединения лучших технологий каждого из них», — сказал со-спикер LEGEND Collaboration (и давний представитель MAJORANA до прошлого года) Стив Эллиотт из Лос-Аламосской национальной лаборатории.