Загадки антиматерии и новые факты в эволюции Вселенной

Галактики, звезды, планеты и жизнь, все образуются из одного фундаментального вещества: материи. Но изобилие материи — одна из самых больших нерешенных тайн физики. Большой взрыв, 13,8 миллиарда лет назад, породил равное количество материи и противоположности, антиматерии. Материя и антиматерия уничтожаются при встрече. Но каким-то образом баланс склонился к материи в ранней Вселенной, позволив тем самым зародиться жизни.

Причудливая субатомная частица, называемая нейтрино, может продемонстрировать, как это произошло. Если нейтрино являются собственными античастицами, то легкая частица может быть тем самым объяснением избытка вещества в мире.

Поэтому ученые спешат найти доказательства гипотетического вида ядерного распада, который может произойти только в том случае, если нейтрино и антинейтрино являются идентичными. Недавно были опубликованы результаты четырех экспериментов, не дающие намека на этот процесс, известный как нейтринореальный двойной бета-распад (SN: 7/6/02, стр. 10). Но в скором времени ученые решили предпринять еще одну попытку, которая должна начаться в ближайшее время, и есть шанс обнаружить этот распад. В это же время, по мере совершенствования оборудования и лабораторного оснащения, качество и точность полученных экспериментов лишь увеличивается. Иными словами, есть надежда на то, что в ближайшее время эта тория будет подтверждена.

«Прямо сейчас, мы стоим на пороге того, что потенциально может быть действительно большим открытием, — говорит Джанет Конрад, физик в Массачусетском технологическом институте, не связанный с экспериментами.

Каждая частица материя имеет античастицу, с противоположным электрическим зарядом. В качестве таких частиц электроны имеют позитроны; протоны имеют антипротоны. Но неясно, как этот шаблон применим к нейтрино, у которых нет электрического заряда.

Вместо того, чтобы иметь разную материю и разновидности антивещества, нейтрино могут быть единственным примером теоретизированного класса частиц, названного майорановским фермионом (SN: 8/19/17, стр. 8), которые являются их собственными античастицами.

«Никакая другая частица, о которой мы знаем, не может обладать этим свойством; нейтрино является единственным », — говорит физик-нейтрино Джейсон Двейлер из Вашингтонского университета в Сиэтле, который является участником экспериментов с двойным бета-распадом KamLAND-Zen и Majorana Demonstrator.

Нейтринолный двойной бета-распад является вариацией стандартного бета-распада, относительно распространенного радиоактивного процесса, который естественным образом происходит на Земле. В бета-распаде нейтрон внутри ядра атома превращается в протон, высвобождая электрон и антинейтрино. Элемент, таким образом, трансформируется в другую частицу.

Бета-распады

Стандартный тип бета-распада происходит, когда нейтрон в ядре атома превращается в протон и высвобождает электрон и антинейтрино. Для некоторых видов атомов два таких распада могут происходить сразу. Если нейтрино является его собственной античастицей, эти двойные бета-распады могут также происходить без каких-либо испускаемых антинейтрино.

В некоторых изотопах отдельных элементов — видов атомов, характеризующихся заданным числом протонов и нейтронов — одновременно могут происходить два бета-распада, излучающие два электрона и два антинейтрино. Хотя двойной бета-распад чрезвычайно редок, он был обнаружен. Если нейтрино является его собственной античастицей, может также произойти и нейтринная версия этого распада.

Такой процесс «создает асимметрию между веществом и антиматерией», — говорит физик Джорджо Гратта из Стэнфордского университета, который работает над экспериментом по экспансии безнейтринного экспансета EXO-200. В типичном бета-распаде одна из частиц, излучаемая электроном, уравновешивает антивещество — антинейтрино. Но при нейтринорном двойном бета-распаде два электрона испускаются без соответствующих частиц антивещества. В начале вселенной другие процессы могли также вести себя аналогично асимметричным образом.

В поиске фактов

Чтобы обнаружить необычный распад, ученые строят эксперименты, заполненные тщательно отобранными изотопами определенных элементов, и контролируют материал для электронов определенной энергии, которые будут высвобождаться при расщеплении нейтринол.

В документе, опубликованном в Physical Review Letters, эксперимент GERDA не обнаружил признаков распада. Расположенный в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии, ГЕРДА ищет распад изотопа германия-76. (Число указывает количество протонов и нейтронов в ядре атома). Поскольку признаков распада не было, если процесс происходит, он должен быть скрытным, заключают ученые, и его период полураспада должен быть длинным — более 80 триллионов триллионов лет.

Три других эксперимента также не увенчались успеха. Между тем, EXO-200, расположенный на экспериментальном заводе по утилизации отходов, под землей в соляном зале под Карлсбадом, штат Нью-Мексико, не обнаружил признаков распада в ксеноне-136 в публикации, напеченной в февральском издании Physical Review Letters.

Это означает, что если нейтрино являются их собственными античастицами, их масса должна быть меньше примерно 0,061-0,165 электрон-вольт в зависимости от теоретических предположений, KamLAND -Zen сообщалось в документе 2016 года в Physical Review Letters. (Электронное вольт — единица энергии и массы частиц физиков. Для сравнения электрон имеет гораздо большую массу в полмиллиона электрон-вольт.) Нейтрино, которые входят в три разных разновидности и имеют три разные массы, чрезвычайно легкие, но точно, насколько крошечны эти массы неизвестно.

Ученые из GERDA готовятся объединиться с другими исследователи в масштабном проекте LEGEND, и многие другие команды также планируют расширенные версии своих текущих экспериментов. Теоретические физики полагают, что если нейтрино являются их собственными античастицами, необнаруженные более тяжелые нейтрино могут быть соединены с более легкими нейтрино, которые мы наблюдаем. Ученые надеяться, что эти эксперименты помогут открыть тайну распределения материи и антиматерии во Вселенной. Кроме того, это помогло бы пролить свет на многие явления, которые мы сейчас наблюдаем в космосе.