Международная группа физиков опровергла гипотезу о существовании майорановских нейтрино. Эти частицы должны были играть роль как нейтрино, так и антинейтрино одновременно. Эксперименты, проведенные на подземном детекторе нейтрино в итальянской подземной лаборатории Гран-Сассо, не позволили найти майорановские частицы. Подробности приводит Science Now.

Исследователи, работавшие с детектором GERDA (GERmanium Detector Array, массив германиевых детекторов) разрешили задачу поиска майорановских частиц за счет наблюдения за процессом бета-распада. Детектор нейтрино сам по себе в принципе не мог отличить обычные нейтрино или антинейтрино от майорановских частиц, которые могут выступать в качестве их обоих, поэтому ученые наблюдали за электронами, образующимися в результате двойного бета-распада.

Двойной бета-распад представляет собой процесс, в котором два нейтрона внутри ядра атома германия-76 одновременно превращаются в протоны. Это происходит за счет превращения d-кварков в u-кварки. Такое превращение вначале дает не нейтрино или антинейтрино, а W-отрицательный бозон (квант слабого взаимодействия). Далее судьба двух W- бозонов в разных теоретических моделях отличается.

В обычной, не предусматривающей экзотических частиц модели, каждый W- бозон превращается в комбинацию из электрона и электронного антинейтрино. А в модели с частицами, которые одновременно являются своими же античастицами, происходит нечто иное: один W- бозон становится майорановским нейтрино и электроном, после чего это майорановское нейтрино поглощается вторым W- бозоном, который в этот момент испускает еще один электрон. Такая последовательность событий предполагает, что процесс испускания майорановского нейтрино и электрона эквивалентен процессу поглощения майорановского нейтрина с испусканием электрона, а это, в свою очередь, возможно только тогда, когда майорановские частицы являются и нейтрино, и антинейтрино одновременно. Гипотезу о таких частицах впервые высказал итальянский физик Этторе Майорана (отсюда и название «майорановские»).

Наблюдения за детектором, в котором было 18 килограмм германия, позволило ученым зафиксировать множество электронов и попутно определить их энергию. Суммарная энергия электронов при обычном двойном бета-распаде всегда меньше теоретически возможного максимума, так как часть энергии уносят антинейтрино, а вот безнейтринный распад должен был отличаться электронами с максимально возможной энергией. Именно такие электроны искали исследователи, однако найти их не удалось, все частицы имели энергию меньше той, которая предсказывалась майорановской моделью.

Безнейтринный бета-распад пытаются зафиксировать с 1990-х годов, причем в работе по поиску майорановских частиц участвуют как европейские, так и российские физики. В 2002 году группа физиков из коллаборации «Гейдельберг-Москва» (работавшей в Гран-Сассо и ИТЭФ около десяти лет) сообщила об обнаружении безнейтринного распада, однако в том же году эти результаты признали несостоятельными. В 2013 о безнейтринном распаде заявили немецкие исследователи из институтов общества Макса Планка, причем это заявление было основано на 13-летних наблюдениях за германиевым детектором коллаборации «Гейдельберг-Москва». Новые данные основаны на двухлетней статистике, которая получена на более совершенной установке, однако и на этом физики не намерены ставить точку.

Поиск майорановских частиц важен по той причине, что такие частицы (если они есть) существенно отличаются от всех остальных и без знания о них картина мира физиков оказывается далеко не полной. Обнаружение безнейтринного распада будет означать выход физики за пределы Стандартной модели.

Источник