Не наблюдавшаяся ранее разновидность радиоактивности может объяснить, почему существует материя – включая и людей. Команда физиков запускает эксперимент по поиску необычного явления
Когда Вселенная сформировалась порядка 13,7 млрд лет назад, согласно современным теориям материя и её странный родственник, антиматерия, во время Большого взрыва должны были появиться в равных количествах. Физикам известно, что когда две этих сущности вступают в контакт, они аннигилируют. Но в таком случае в космосе не было бы ничего кроме фотонов и нейтрино. И, тем не менее, мы существуем. Расчёты показывают, что материи оказалось немного больше, чем антиматерии – но почему?
Один из способов объяснения этой асимметрии – поиск разницы между двумя типами вещества, за исключением заряда, способной объяснить преимущество обычной материи. В современной физике это очень большой вопрос, поскольку согласно современным теориям, они должны вести себя одинаково.
Странные нейтрино
В исследовании физики пытаются добиться безнейтринного двойного бета-распада. Обычно при бета-распаде нестабильное ядро радиоактивного атома теряет нейтрон. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон и небольшую частицу, электронное антинейтрино. Бывает и зеркальная ситуация, в которой протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и электронное нейтрино – близнеца антинейтрино. Двойной бета-распад происходит, когда испускаются два электрона и два антинейтрино: по сути, бета-распад происходит два раза. Учёные давно строили теории по поводу безнейтринной версии этого процесса – в ней нейтрино аннигилируют до того, как покинуть атом. В этом случае нейтрино ведёт себя как своя собственная античастица.
Частицы, ведущие себя, как свои собственные античастицы, называют фермионами Майораны – в честь итальянского физика Эттора Майораны, высказавшего на этот счёт гипотезу в 1937 году.
Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, это может помочь объяснить, почему в момент формирования Вселенной вся материя не аннигилировала.
Поиски распада
Но такое событие сложно обнаружить, ибо этому мешает сильный «фоновый шум», как говорит Бернард Швингенхойер [Bernhard Schwingenheuer], представитель проекта «германиевый массив датчиков», GERmanium Detector Array, или GERDA. Причиной шума служат космические лучи.
Установка GERDA, прячущаяся в подземной лаборатории в Италии, состоит из датчиков, содержащихся в ванной с жидким аргоном, обогащённым умеренно радиоактивным изотопом германия-76. Его период полураспада составляет 1,78 x 1021 (1,78 миллиардов триллионов лет) – именно столько времени нужно, чтобы половина его атомов превратилась в селен. Это время на несколько порядков дольше существования Вселенной.
Обычно германий в процессе своего медленного распада испускает два электрона и два электронных антинейтрино, что является обычным двойным бета-распадом. Физики хотели узнать, происходит ли такой распад без нейтрино.
С таким большим периодом полураспада можно подумать, что ожидать такого события пришлось бы слишком долго; но полураспад – явление вероятностное. Именно поэтому в исследовании используется около 38 кг германия, смешанного с жидким аргоном. Это даёт порядка 4,5 x 1025 атомов, что означает, что несколько атомов должно распадаться прямо во время наблюдений.
Команда GERDA собирала данные в течение семи месяцев, с декабря 2015 до июня 2016. Они не обнаружили распада, но смогли установить нижний предел частоты его появления: его период полураспада составляет 5,3 x 1025 лет, что означает, что шанс увидеть распад одного атома за это время равен 50%.
Расширяя Стандартную модель
Если распад обнаружат, это будет означать, что нейтрино являются античастицами к самим себе, как фотоны. В противном случае безнейтринный распад не может состояться. Это также значит, что такой радиоактивный распад несимметричен. Вспомним, что у бета-распада есть зеркальный вариант – испускаются электроны и антинейтрино, либо позитроны и нейтрино. Если двойной бета-распад несимметричен, это значит, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному. У других пар частиц/античастиц это не так.
Это явление повлияет на Стандартную модель, которая, хоть и весьма успешно объясняет физику частиц, не является полной. Модель предсказывала существование бозона Хиггса. Но Швингенхойер отмечает, что существуют свидетельства того, что у нейтрино есть небольшая масса (открытая лишь в 1998 году, за что в 2015 году была получена нобелевская премия), а также признаки наличия тёмной материи. Всё это говорит о том, что Стандартная модель не стала последним словом науки.
«В случае обнаружения безнейтринного двойного бета-распада мы сможем решить пару проблем», – говорит Филипп Барбо [Philip Barbeau], помощник профессора физики в Университете Дьюка. «Во-первых, это поможет объяснить асимметрию материи-антиматерии во Вселенной. Во-вторых, это поможет понять, почему у нейтрино такая маленькая масса. Также мы сможем оценить массу нейтрино, поскольку скорость распада связана с массовой шкалой нейтрино».
И тогда останется понять физику процесса. Проект GERDA пока ещё не продемонстрировал искомый распад, но это не означает, что он его не найдёт, как говорит Швингенхойер. Полностью устранить вероятность такого процесса не получится, поскольку всегда будет оставаться возможность, что время, необходимое для его появления, просто больше, чем считалось. На сегодня они установили нижний предел для полураспада, но будущие эксперименты могут увеличить это значение.
Если же после многочисленных прогонов они так и не увидят распад, то Барбо считает, что это вряд ли откроет дорогу для новых научных моделей. «С точки зрения лежащих в основе теорий, мы не возвращаемся обратно к расчётам. Мы просто не будем знать, являются ли нейтрино фермионами Майораны».
Комментарии (14)
2morrowMan
11.05.2017 18:10+2Это даёт порядка 4,5 x 1025 атомов, что означает, что несколько атомов должно распадаться прямо во время наблюдений.
Интересно, распад равномерно распределен во времени?
Полураспад не может начаться, например, через миллиард лет?
Xaliuss
11.05.2017 18:56+5Вероятность распада одного ядра в течении какого-то промежутка времени зависит ТОЛЬКО от длины этого промежутка (промежуток времени, когда вероятность ровно 1/2 называется периодом полураспада). События распада ядер абсолютно независимы. От момента наблюдения эти величины не зависят.
Соответственно радиоактивный распад описывается очень простой статистической моделью, что и позволяет по наблюдениям находить единственную величину, влияющую на распределения событий — собственно период полураспада (второй величиной является количество радиоактивного вещества, которое можно найти иначе).
Собственно полураспада как понятия не существует, каждое ядро либо распадается, или нет. Просто за период полураспада математическое ожидание распавшихся ядер будет равно половине начального количества, и при макроскопических количествах (когда ядра нельзя уже мерять в штуках) заметные отклонения от среднего крайне маловероятны.
arheops
11.05.2017 23:45+2не забывайте добавить «по текущим представлениям». Потому как может оказаться, что шанс распада подвержен, например, влиянию темной материи. У нас все же очень малая зона пространства где мы явно можем померять время распада.
coturnix19
12.05.2017 01:58+1Если энергия распада мала, период полураспада может заметно зависеть от химического состояния вещества. Самый необычный пример такого поведения — рений-187, у которого у нейтрального атома период полураспада 42 миллиарда лет, а у голого ядра — всего 33 года.
Vjatcheslav3345
12.05.2017 12:29На практике это означает, что придётся взять карту реликтового излучения, нашего местного уголка Вселенной и внести поправки в расчёты — наши часы полураспада могут идти по собственному "местному" времени.
(на карте есть выраженные неоднородности = неоднородным условиям состояния вещества).
Varim
11.05.2017 21:49если видимая вселенная образовалась из области размером меньше атома, почему не могло так случится, что антиматерия по большей части оказалась в области соседнего «атома», а из за сверх быстрого разбегания вселенной, они так и не проаннигилировали? Или тогда была слишком большая энергия для выпадения в вещество и антивещество?
arheops
11.05.2017 23:55Тогда вопрос не убирается, возникает вопрос почему именно так. Дело в том, что по современным представлениям материя возникла из первичного бульйона по мере его остывания, и шансы получения антипротона и протона — равны.
VaalKIA
11.05.2017 23:51Обычно при бета-распаде нестабильное ядро радиоактивного атома теряет нейтрон. Нейтрон превращается в протон, испуская электрон и небольшую частицу, электронное антинейтрино. Бывает и зеркальная ситуация, в которой протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и электронное нейтрино – близнеца антинейтрино.
Для меня новость, что цикл замкнулся: я знал, что нейтрон распадается с получением протона, где-то за 80 с лишним секунд существования вне атома, где он был окружён протонами и оставался стабильным. Но вот, что полученный протон опять превращается в нейтрон, при этом опять что-то испуская… это получается какая-то генерация из ничего. Может кто-нибудь прокомментировать?Kypaku
12.05.2017 00:56+5Это ошибка в статье. Протон если и распадается то через ОЧЕНЬ долгое время. Либо имелось в виду что протон поглощает, а не испускает.
olgerdovich
12.05.2017 02:54+1Если у вас в ядре дефицит нейтронов, то он может быть компенсирован превращением протона в нейтрон. Хотя отдельный протон стабилен (по наблюдениям), ядерные силы могут несколько корректировать положение. Сравните: нейтрон живет пятнадцать минут в свободном виде и неограничено — в составе многих ядер.
sotnikdv
12.05.2017 05:25+1http://nuclphys.sinp.msu.ru/radioactivity/ract03.htm
Вот тут хорошее обьяснение, включая проблему энергии.
wych-elm
Но в обозримой Вселенной преобладает материя. В чем проблема с появлением материи и антиматерии в НЕ равных количествах при Большом взрыве? Ведь, возможно, наша Вселенная потому и существует что была нарушена эта симметрия в самом начале.
saboteur_kiev
Так а статью вы дочитали?
Вселенная существует не «возможно потому», а именно потому что.
И вкратце — статья говорит, что ученые считают, что некоторые частицы и античастицы ведут себя поразному, поэтому по какой-то причине не смогли взаимоуничтожиться.
Может потому, что одних было больше, других меньше. Может потому, что разбежались в разные стороны, а расширяющаяся вселенная не дает нам увидеть огромный тыдыщ, который следует по пятам, но никак не догонит. Или догонит. Пока что нобелевские премии еще ждут тех, кто даст правильный ответ.
wych-elm
Наверное я неправильно читал, потому что из статьи
но почему то
Хотя нейтрон распадается на протон и электрон намного чаще, чем протон превращается в нейтрон и позитрон, но их интересует какие-то нейтрино, а не очевидная ассиметрия превращения в материю, вместо антиматерии.
Или я что-то не понимаю, почему тогда так важен нейтрино и его распад, как он связан с ассиметрией?