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.
Фейнмановская диаграмма безнейтринного бета-распада
Такой процесс возможен только при условии совпадения нейтрино и антинейтрино.
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 нейтрино 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 килограммов 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 другие ученые. Полемика вокруг результатов коллаборации продолжалась на протяжении нескольких лет. 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.