Самое холодное место во Вселенной раскрывает тайны антиматерии

В ледяной лаборатории ученые используют экстремально низкие температуры и древние материалы, чтобы бросить вызов существующим законам физики. Эти исследования, направленные на обнаружение таких явлений, как двойной безнейтринный бета-распад, позволят переосмыслить понимание материи и антиматерии во Вселенной.

В подземной лаборатории, расположенной под Апеннинскими горами в Италии, где были достигнуты самые низкие температуры в известной части Вселенной, международные группы ученых работают над разгадкой одной из величайших загадок физики элементарных частиц. В коллаборацию Borexino входят группы ученых из Италии, Германии, США, России, Франции и Польши. Исследования проводятся в Национальной лаборатории Гран-Сассо, расположенной недалеко от Ассерджи, Италия, к северо-востоку от Рима. 

В том числе ученые исследуют недоказанные теории, связанные с ядерным распадом, также известным как радиоактивный распад. Это процесс, при котором нестабильное атомное ядро ​​теряет энергию через излучение. Работа направлена ​​на то, чтобы лучше понять, почему Вселенная наполнена материей, и раскрыть другие загадки, которые озадачивают ученых на протяжении поколений.

Borexino — высокочувствительный детектор нейтрино, расположенный в Laboratori Nazionali del Gran Sasso в центральной Италии. Расположенный глубоко под землей, он использует сверхчистый жидкий сцинтиллятор для обнаружения низкоэнергетических солнечных нейтрино и изучения фундаментальных свойств нейтрино и солнечных процессов. Изображение: Borexino Collaboration

Исследования сосредоточены на нейтрино — крошечных частицах с очень небольшой массой. Они движутся со скоростью, близкой к скорости света, и могут возникать в результате сильных вспышек, таких как взрывающиеся звезды. Нейтрино часто появляются в результате радиоактивного распада. Поскольку они не очень сильно взаимодействуют и нейтральны, то могут помочь объяснить загадки Вселенной, связанные с материей и антиматерией.

В современной физике у всех частиц есть античастицы — их собственные аналоги из антиматерии: у электронов есть антиэлектроны (позитроны), у кварков — антикварки, а у нейтронов и протонов — антинейтроны и антипротоны. Согласно давней научной теории, нейтрино, которые нейтральны по заряду, могут быть своими собственными античастицами. Но эта концепция никогда не была доказана. Ученые хотят раскрыть возможность безнейтринного двойного бета-распада — радиоактивного процесса, в котором атомное ядро ​​высвобождает два электрона, но не нейтрино. Наблюдение за этим распадом подтвердит гипотезу о том, что нейтрино являются своими собственными античастицами.

В частности, ученые исследуют кристаллы диоксида теллура — смеси элемента теллура и кислорода. Существует гипотеза, что изотоп теллура может претерпевать безнейтринный двойной бета-распад. Около трети ядер теллура в этом куске кристалла представляют собой нужный изотоп. Идея состоит в том, чтобы использовать детектор из этого кристалла, который измеряет собственный распад. Он будет выделять определенное количество энергии, повышая температуру, за которой можно наблюдать. Благодаря этому тестированию получится понять, является ли нейтрино своей собственной античастицей.

Вид внутренней части детектора Borexino. Изображение: Borexino Collaboration

Итальянская лаборатория экранирует космические лучи и другую естественную радиоактивность примерно через километр скалы в каждом направлении и защитный щит толщиной 6 сантиметров, изготовленный из вываренного свинца, извлеченного из затонувшего древнеримского торгового судна. Древний свинец, используемый в качестве защитного ограждения для лабораторных исследований, свободен от собственного радиоактивного материала из-за естественного процесса, который занимает столетия.

Исследования ведутся при температуре около –280 °C. Такие низкие температуры нужны, потому что когда частицы охлаждаются, они движутся гораздо медленнее, что позволяет исследователям более точно изучать их поведение.

Уже много лет ученые пытаются понять принцип взаимодействия антиматерии и материи и как в этом могут быть задействованы нейтрино. Около 30 лет назад появилась идея о том, что если распад происходит, то это будет означать, что во Вселенной на самом деле материя преобладает над антиматерией, пусть и в небольшом количестве.