Для поиска чрезвычайно редких процессов, обещающих гигантский прорыв в нашем понимании современной физики, ученые используют не только самые современные детекторы, но и продукты технологии двухтысячелетней давности.
Капитан большого римского парусного торгового судна, вероятно, был весьма раздосадован, когда бросил якорь всего лишь в какой-нибудь миле от берегов Сардинии. Судно было загружено добытым в шахтах Картахены свинцом, предназначавшимся для изготовления амуниции (снарядов для пращей). Но, судя по сведениям, которые получил капитан, шансы доставить груз получателю с каждой минутой становились все более призрачными: повстанцы контролировали ближайшие порты (и даже, возможно, захватили несколько военных кораблей, так что бегство становилось бессмысленным). В конце концов чувство долга (а также и страх перед римской армией) пересилило, и капитан отдал приказ. Снизу послышались удары топоров, судно накренилось и стало медленно тонуть, в то время как матросы попрыгали в воду и уже плыли к берегу. Главное — важный стратегический груз не достался врагу.
Бета-распад обусловлен слабым взаимодействием и изменяет заряд ядра на единицу без изменения массового числа — с излучением бета-частицы (электрона или позитрона) и электронного антинейтрино или нейтрино соответственно. При двойном бета-распаде излучается две бета-частицы и два антинейтрино (или нейтрино). Двойной безнейтринный бета-распад может существовать, только если нейтрино является майорановской частицей (нейтрино тождественно антинейтрино).
Древний клад
Свинцовые слитки пролежали на дне Тирренского моря всего в полутора милях от Ористано 2000 лет, пока в 1988 году их не обнаружили местные дайверы. Находка заинтересовала итальянское Управление археологического надзора Кальяри, ее тщательно отметили на картах, но поднимать не спешили. Причина была довольно банальной: для подъема почти тысячи свинцовых слитков, каждый весом 33 кг, требовалось немало средств, которых в бюджете управления не было. Помощь пришла с неожиданной стороны: газета с заметкой о находке случайно попалась на глаза Этторе Фиорини, физику из Миланского университета Бикокка. Оказалось, что римский свинец очень нужен физикам. Нужен настолько, что итальянский Национальный институт ядерной физики (INFN) предложил оплатить операцию по подъему груза с затонувшего римского судна в обмен на «долю клада» в натуральном виде. Археологи и историки, скрепя сердце и скрипя зубами, согласились, и в 1991 полторы сотни слитков были переданы итальянским физикам, которые изготовили из них свинцовые экраны для детекторов, установленных в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии.
В основе детекторов коллаборации CUORE лежат болометры, с помощью которых пытаются обнаружить распад теллура-130. 988 кристаллов диоксида теллура одновременно служат и болометрами, и потенциальными источниками двойного безнейтринного бета-распада. Они собраны в 19 колонок и охлаждены до температуры в 10 мК, при которой их теплоемкость столь мала, что даже попадание отдельной частицы вызывает повышение температуры, обнаруживаемое с помощью термисторов. По величине этого повышения можно вычислить энергию попавшей частицы, а в случае двойного безнейтринного бета-распада в энергетическом спектре будет наблюдаться пик в 2527 кэВ.
«Выдержанный» металл
Зачем же работа римских металлургов понадобилась современным физикам? Дело в том, что свежевыплавленный из руды свинец содержит небольшие примеси нестабильных элементов. В основном это изотоп свинец-210, претерпевающий бета-распад с периодом полураспада 22,3 года. На качестве амуниции для пращей это, конечно, никак не сказывается, как и для огромного количества современных применений, а вот для физиков имеет принципиальное значение. Свинец используется как материал для экранирования сверхвысокочувствительных детекторов во многих экспериментах по обнаружению различных частиц. Поскольку недавно добытый свинец сохраняет слабую природную радиоактивность, он служит источником помех и, по словам Этторе Фиорини, не подходит для подобных задач. Обычно в таких случаях используют особый свинец, обедненный 210-м изотопом, но его цена очень высока. Поэтому римские слитки, в которых за 2000 лет распалась б? льшая часть свинца-210, оказались весьма кстати. Исследования, проведенные физиками из INFN, показали, что уровень остаточной радиоактивности древнего свинца составляет всего лишь 4 мБк/кг, что в 100 000 раз меньше, чем у «новодела», и в 100 раз меньше, чем у специального, обедненного 210-м изотопом металла. Поэтому для эксперимента коллаборации CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) INFN в 2010 году использовал дополнительные 120 слитков, чтобы создать для детекторов, расположенных глубоко под землей, трехсантиметровую свинцовую броню, экранирующую посторонние излучения. В экспериментах CUORE (и ряда других коллабораций) ученые надеются найти новый тип радиоактивности, предсказанный три четверти века назад, — двойной безнейтринный распад. Это открытие может стать достижением такого же масштаба, как и долгожданный отлов бозона Хиггса.
С нейтрино и без
В конце XIX века была открыта бета-радиоактивность атомных ядер, при которой заряд ядра изменяется на единицу, а его масса практически сохраняется. У природных изотопов наблюдается только электронный бета-распад, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино (у искусственных бывает и позитронный). В 1935 году будущий лауреат Нобелевской премии Мария Гёпперт-Майер теоретически доказала, что возможен бета-распад с возникновением двух электронов и двух антинейтрино. Ее прогноз подтвердили в 1987 году физики из Калифорнийского университета в Ирвайне, которые обнаружили превращение селена-82 в криптон. Столь долгие поиски двойного бета-распада объясняются исключительной стабильностью нуклидов, у которых он наблюдается. Все они (а их всего 11) имеют период полураспада порядка 10 в 20 степени лет, что в миллиарды раз больше возраста Вселенной.
А теперь экспериментаторы ищут еще одну разновидность двойного бета-распада, предсказанную в 1939 году американским физиком-теоретиком Уэнделлом Фарри. Он исходил из теории, предложенной итальянцем Джулио Рака, которая базировалась на очень красивой гипотезе Этторе Майораны (оба они были учениками Энрико Ферми). Она разрешает существование частиц с полуцелым спином (фермионов), которые являются своими собственными античастицами.
"