В ожидании распада. Удастся ли учёным доказать, что нейтрино имеет массу?

Их существование много чего объясняет, в том числе «уклонение» бета-распада от основополагающих законов - сохранения энергии и импульса. Однако до сих пор самая маленькая частица, названная нейтрино, остаётся самой загадочной. 

Игла - в яйце, яйцо - в утке

А науке между тем уже известен двойной бета-распад, когда из ядра атома вылетают 2 электрона и 2 антинейтрино (если распадаются «тяжёлые» изотопы химического элемента) или 2 позитрона и 2 нейтрино (при распаде «лёгких»). С 1987 года эту ядерную реакцию экспериментально наблюдали в нескольких подземных лабораториях с использованием 11 изотопов. Но теоретически возможен распад и безнейтринный - при условии, что нейтрино одновременно является собственной античастицей (антинейтрино). 

Именно это редчайшее явление хотят «поймать» энтузиасты от науки. Группа учёных из 15 научных институтов Германии, Италии, России, Швейцарии, Бельгии и Польши объединилась в международную коллаборацию ради эксперимента GERDA (GERmanium Detector Array). С нашей стороны участвуют Институт ядерных исследований РАН, Нацио­нальный исследовательский центр «Курчатовский институт», в том числе входящий сегодня в него ИТЭФ - Институт теоретической и экспериментальной физики.

Учёные уже доказали: нейтрино имеет массу. Теперь эксперимент GERDA должен помочь определить её порядковое значение, а также доказать, что нейтрино - это античастица для самой себя. То есть нейтрино и антинейтрино - по сути одно и то же. Если оно так, то придётся скорректировать Стандартную модель физики частиц, на основе которой сделаны многие научные выводы и утверждения. 

Для эксперимента выбран изотоп германий-76 (Ge-76). Распад ядра его атома как раз сопровождается вылетом 2 электронов и 2 нейтрино. Он стал одновременно и исследуемым объектом, и детектором, который должен уловить распад и помочь зафиксировать частицы, образовавшиеся в его процессе. Но нужно, чтобы никакие излучения не повлияли на процесс и не исказили результаты. Для этого основательно продумана защита чистоты эксперимента. И устроена она по методу, известному нам из русских сказок: Кощеева смерть - на кончике иглы, игла - в яйце, яйцо - в утке… 

Так вот, германий помещают в ёмкость с жидким азотом высотой 6 м и шириной 4 м. Ёмкость - в резервуар с водой 10 м в диаметре и 10 м высотой. А тот находится в одном из трёх 100-метровых (по длине) залов подземной лаборатории итальянского Национального института ядерной физики, которая расположена в горе на юге Апеннинского полуострова на глубине 1400 м.

Жидкий азот и резервуар с водой нужны, чтобы «отсечь» возможные внутренние излучения, в том числе естественный фон людей, участвующих в эксперименте, а каменная толща горы - чтобы исключить воздействие достигающих Земли космических лучей. 

«Росатомовские» килограммы

Но самое главное, конечно, то, что находится на кончике иглы. Вернее, что лежит в жидком азоте: изотоп. Вот только распад, которого от него ждут, как и все другие ядерные реакции, носит случайный характер. А время жизни атома германия предположительно… 1025-1026 лет. Впрочем, может, и на порядок дольше. Попробуй дождись. 

Пока безнейтринный двойной бета-распад не зафиксирован, период полураспада Ge-76 определяют расчётным путём и выражают в виде неравенства. Но если его удастся «поймать», то оно превратится в равенство. 

По прогнозу организаторов, на 1 кг Ge-76 происходит менее одного распада в год. Понятно: чем больше будет изотопа, тем больше вероятность, что какие-то из его атомов распадутся при жизни экспериментаторов. Начали с 18 кг. Было ещё одно важное условие: высокая степень чистоты исследуемого вещества - как по химическому составу, так и по изотопному, чтобы следы распада можно было обнаружить. Поэтому директор Института физики им. Макса Планка Аллен Кристофер Колдвелл лично изучал возможности изготовления Ge-76 в России.

Сделать это в количестве, необходимом для проведения эксперимента, могут единицы производств и лабораторий в мире. Колдвелл сам побывал на Электрохимическом заводе в Зеленогорске, который входит в топливную компанию «Рос­атома» «ТВЭЛ», ознакомился с его технологическими возможностями. Там изотоп производят в виде оксида. Затем его нужно превратить в слиток поликристаллического германия с электронной чистотой и вырастить монокристаллы. Руководителя института, который кроме Планка в разное время возглавляли Эйнштейн и Гейзенберг, устроило всё. И впервые Ge-76 для проекта GERDA изготовили на предприятии в Сибири в 2004‑2005 годах.

«Слоёные пироги» в дорогу

Увы, в ходе первого и второго этапов эксперимента безнейтринный бета-распад зафиксировать не удалось. Но исследовательский азарт не исключает потрясающего терпения. Профессор Колдвелл, когда ещё только затевал дело, говорил: «Если после 4-5 лет наблюдений мы так ничего и не увидим, то тогда… придётся взять детектор в 500 или даже 1000 кг и повторить эксперимент».

В мае российские атомщики поставили очередную партию изотопа в Германию - уже для второго этапа. Как и раньше, нужно было не только произвести Ge-76 в необходимом количестве, обеспечив высокую химическую чистоту и должное содержание целевого изотопа, но и минимизировать воздействие космических лучей во время дороги в 6 тыс. км. 

Для этого на Электрохимическом заводе ещё в 2004 году разработали специальные транспортные упаковочные контейнеры - ТУКи. На предприятии их называют «слоёными пирогами»: в каждом - 15 стальных дисков диаметром 1,4 м, экранирующих германий от воздействия внешних излучений. Они показали надёжность в предыдущих поставках, и теперь российские атомщики вновь использовали своё высокотехнологичное решение. После получения Ge-76 отобранный образец направили для анализа в независимую лабораторию в Италии. Там подтвердили высокое качество изотопа.

Но и это ещё не всё. Электрохимический завод, сотрудничая с научной коллаборацией, выполняет и нестандартные для себя задачи. Они связаны с промежуточным (до поставки материала учёным) хранением Ge-76, которое происходит всё по тому же «сказочному» методу: игла - в яйце, яйцо - в утке… Изотоп - в специально изготовленном защитном саркофаге, саркофаг - в подземном хранилище. Никаких космических излучений и даже людей рядом. 

На втором этапе эксперимента GERDA масса Ge-76 увеличена. Кроме того, в апреле 2016 года этот научный проект объединился с аналогичным - MAJORANA, который проводится в американской подземной лаборатории. Единому проекту дали имя LEGEND - Легенда. В перспективе планируется довести общую массу испытуемого изотопа до  тех самых 1000 кг, о которых говорил профессор Колдвелл. Тогда есть надежда, что долгожданный распад всё же произойдёт за время наблюдения, то есть пока учёные, затеявшие его, живы и в состоянии обработать результаты своего эксперимента. 

Гипотеза от отчаяния

В 1930-х Резерфорд показал, что в результате радиоактивного распада появляются электроны, и это явление назвали бета-распадом. Затем супруги Кюри обнаружили бета-распад, сопровождающийся появлением позитронов. Тогда стали различать положительный (с позитронами) и отрицательный (с электронами) бета-распады. Но при обоих поведение частиц как бы игнорировало законы сохранения энергии и импульса.

И тогда Вольфганг Паули спас ситуацию. По его собственному признанию, от отчаяния он выдвинул гипотезу, что внутри ядра скрываются электрически нейтральные лёгкие частицы, которые уносят с собой остаток потерянной ядром энергии. То есть процесс бета-распада сопровождается появлением не одной наблюдаемой заряженной частицы - электрона либо пози­трона - а двух. Вторую обнаружить практически невозможно из-за того, что она имеет маленькую массу и нулевой электрический заряд. И идея эта была воспринята в научном сообществе с восторгом.

Паули предложил и название этой частице - нейтрон. Но после открытия нейтронов в составе атомного ядра он же и переименовал её в нейтрино - «маленькую нейтральную частицу» в переводе с итальянского. 

Затем родилось предположение о существовании у нейтрино антипода. Сначала учёные полагали, что антинейтрино должна отличаться по своим свойствам от нейтрино. Но итальянский физик Этторе Майорана ещё в 1937 году выдвинул иную гипотезу: нейтрино и антинейтрино - не разные, а одна и та же частица. Однако до сих пор его предположение не получило никаких научных подтверждений. 

Нейтрино невидимы для нас и неосязаемы - это потому что взаимодействуют они с материей крайне слабо. Но именно по этой причине обладают феноменальной проникающей способностью. Теоретически вычислено, что они могут беспрепятственно преодолеть слой жидкого водорода толщиной в... тысячу световых лет! 

Нейтрино - возможно, самые многочисленные частицы во Вселенной. А значит, чем больше мы сможем узнать о них, тем лучше будем представлять, как устроено мироздание.

Мнение эксперта

Старший вице-президент по научно-технической деятельности, технологии и качеству компании «ТВЭЛ» Константин Вергазов:

- Для участия в научном проекте GERDA российским атомщикам пришлось решить сразу несколько нетривиальных технических и управленческих задач. 

В довольно сжатые сроки было освоено производство германия-76 - сказался мощный промышленный потенциал топливного дивизиона «Росатома». Используемый нами газоцентрифужный способ разделения изотопов позволяет заниматься не только обогащением урана для атомной энергетики, но и наработкой изотопов других элементов, необходимых для нужд медицины, сельского хозяйства, науки и ряда других отраслей. 

Помимо обеспечения высокой химической чистоты и должного содержания целевого изотопа были решены нестандарт­ные задачи для выполнения условий хранения и транспортировки продукции компании. 

Промежуточное хранение изотопов германия организовано в подземном хранилище, в специально изготовленном для этого защитном саркофаге, который предохраняет их от космического излучения. 

Кроме того, был изготовлен и специальный транспортный упаковочный контейнер - он выполняет те же функции, что и подземный саркофаг.

Из-за специфики проводимых научных исследований эксперимент GERDA длится уже более 10 лет, и всё это время «ТВЭЛ» является поставщиком изотопа. 

Безусловно, наши производ­ственные и внешнеторговые предприятия доказали, что и в международных проектах, не связанных с атомной энергетикой, «Росатом» - надёжный партнёр, способный решать любые самые сложные и нестандартные задачи, чтобы удовлетворить потребности заказчика.