Результаты эксперимента, получившего название CUORE-0, были объявлены в INFN Gran Sasso Laboratories (LNGS) в Италии, США.S. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Лаборатория Беркли) и другие учреждения в США.
Выводы двоякие.
Во-первых, результаты CUORE-0 накладывают некоторые из наиболее чувствительных ограничений на массу неуловимого майорановского нейтрино на сегодняшний день. С этими новыми ограничениями команда CUORE по существу сокращает размер стога сена, в котором прячется иголка Майораны, что повышает вероятность ее обнаружения.
Во-вторых, эксперимент успешно демонстрирует эффективность новой конструкции CUORE — детектора, состоящего из башен из кристаллов диоксида теллура размером с кубик Рубика. Эти башни помещены в высокотехнологичный холодильник, который был тщательно обеззаражен, защищен от космических лучей и охлажден почти до абсолютного нуля.
Сегодняшние результаты представляют собой данные, собранные за два года всего с одной башни кристаллов диоксида теллура. К концу года все 19 башен, каждая из которых содержит 52 кристалла, будут подключены к сети, что повысит чувствительность CUORE в 20 раз.
«CUORE-0 на сегодняшний день является крупнейшим детектором, работающим при температуре, очень близкой к абсолютному нулю», — говорит доктор. Оливьеро Кремонези из INFN-Milano Bicocca, представитель сотрудничества CUORE. "CUORE в настоящее время находится на завершающей стадии строительства, и когда оно будет завершено, оно будет изучать ядерные процессы, связанные с майорановским нейтрино, с беспрецедентной чувствительностью."
«С результатами CUORE-0 мы доказали, что наши экспериментальные конструкции, материалы и процессы, которые включают чрезвычайно чистые поверхности, чистые материалы и прецизионную сборку, окупаются», — говорит Юрий Коломенский, старший научный сотрудник факультета физики. Отделение лаборатории Беркли, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли и Университет США.S. представитель сотрудничества CUORE.
Аннигиляции в ранней Вселенной
Чтобы определить нейтрино Майораны, исследователи ищут контрольный индикатор — редкий ядерный процесс, называемый безнейтринным двойным бета-распадом. Ожидается, что этот процесс будет происходить нечасто, если будет вообще: менее одного раза каждые септиллион (триллион триллионов, или единица с 24 нулями) лет на ядро.
В отличие от обычного двойного бета-распада, который испускает два антинейтрино, безнейтринный двойной бета-распад вообще не испускает нейтрино.
Это как если бы одно из антинейтрино превратилось в нейтрино и аннулировало — или аннигилировало — своего брата внутри ядра.
«В 1937 году Этторе Майорана предсказал, что нейтрино и антинейтрино могут быть двумя проявлениями одной и той же частицы — на современном языке они называются частицами Майораны», — говорит Рейна Маруяма, доцент физики Йельского университета и член Совет CUORE Physics Board, который руководил анализом данных. "Обнаружение безнейтринного двойного бета-распада привело бы нас непосредственно к майорановской частице и дало бы намек на то, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества."
Известные законы физики запрещают такие преобразования материи и антивещества для нормальных электрически заряженных частиц, таких как электроны и протоны.
Но нейтрино, которые электрически нейтральны, могут быть особой материей с особыми способностями.
Предлагаемые переходы материи и антивещества, хотя сейчас они чрезвычайно редки, если они вообще происходят, возможно, были обычным явлением во Вселенной сразу после Большого взрыва. Таким образом, остаток существования, после всех аннигиляций, будет полной материей Вселенной, которую мы видим сегодня.
Кристальная ясность
Кристаллы диоксида теллура CUORE заполнены более чем 50 септиллионными ядрами теллура-130, природного изотопа, который может производить двойной бета-распад и, возможно, безнейтринный двойной бета-распад. Для эксперимента кристаллические башни находятся в очень холодном холодильнике, называемом криостатом, который охлаждается примерно до 10 миллКельвинов или -273.14 градусов по Цельсию.
В прошлом году криостат CUORE установил рекорд самого холодного объема в своем классе.
В очень холодных кристаллах CUORE присутствие обоих ядерных процессов приведет к небольшому, но точно измеренному повышению температуры, наблюдаемому высокочувствительными датчиками температуры внутри криостата. Эти повышения температуры соответствуют спектрам — по сути, количеству выделяемой энергии — от ядерного события. Двойной бета-распад двух нейтрино дает широкий спектр.
Напротив, безнейтринный двойной бета-распад создаст характерный пик с энергией 2528 килоэлектронвольт. Этот пик — то, что ищут исследователи.
Эксперимент CUORE проводится примерно в километре под самой высокой горой Апеннинского хребта в Италии, где скала защищает ее от космических лучей. Это расположение, а также экспериментальная схема обеспечивают чувствительность, необходимую для обнаружения безнейтринного двойного бета-распада.
«Чувствительность, продемонстрированная сегодня результатами, является выдающейся, — говорит Стефано Рагацци, директор национальных лабораторий INFN Gran Sasso. "INFN Gran Sasso Laboratories предлагает уникальную во всем мире среду для поиска ультра-редких взаимодействий майорановских нейтрино и частиц темной материи и гордится тем, что проводит самые чувствительные эксперименты в этих областях исследований."
«Хотя прямых доказательств существования нейтрино Майораны пока нет, наша команда оптимистично настроена, что CUORE имеет все возможности для его обнаружения», — говорит Этторе Фиорини, почетный профессор физики Миланского университета в Бикокке и основатель эксперимента. "Это своего рода соревнование, при этом другие эксперименты, в которых используются дополнительные методы для CUORE, включаются примерно в то же время. Следующие несколько лет будут невероятно захватывающими."
CUORE поддерживается совместно Итальянским национальным институтом ядерной физики Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) в Италии, Управлением науки Министерства энергетики и Национальным научным фондом в США.
Коллаборация CUORE состоит из 157 ученых из Италии, США.S., Китай, Франция и Испания, и базируется на подземном итальянском предприятии под названием INFN Gran Sasso National Laboratories (LNGS) INFN.