aif.ru counter
Марина Набатникова 3 1702

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

Ещё в 1930-х годах физики предположили наличие в мироздании мельчайших нейтральных частиц.

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. 

На кончике стержня в жидком азоте - тот самый германий-76, который должен помочь доказать, что нейтрино и антинейтрино - по сути одно и то же.
На кончике стержня в жидком азоте - тот самый германий-76, который должен помочь доказать, что нейтрино и антинейтрино - по сути одно и то же.

«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.

По современным представлениям наша Вселенная возникла 13,77 млрд лет назад после Большого взрыва.
По современным представлениям наша Вселенная возникла 13,77 млрд лет назад после Большого взрыва.

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. 

Оставить комментарий
Вход
Комментарии (3)
  1. Вика Назарова[vkontakte]
    |
    10:05
    29.08.2018
    0
    +
    -
    Спасибо за интересный материал! Интересно узнавать чем занимаются современные физики. Всё таки насколько ещё неполностью мы знаем природу нашего мира, хотя решили что уже давно его покорили.
  2. Александр Родионов[facebook]
    |
    10:24
    29.08.2018
    0
    +
    -
    Отличная статья! О сколько нам открытий чудных.....Человек постоянно находится в развитии и каком то движении, и по многим направлениям кажется что человеческая мысль достигла предела по каким то направлениям, ан нет! Отечественные учёные , физики-ядерщики, постоянно доказывают что в этих процессах практически нет предела совершенству и развития. Многое естественно есть, но пока скрыто для наших умов и по стечению времени и развитию прогресса мы начинаем постигать всё больше , и достигать навых вершин в прогрессе! В Ядерной например энергетике только так.
  3. Константин Брыков[googleplus]
    |
    11:01
    29.08.2018
    0
    +
    -
    Решение нестандартных задач это как раз по части Росатома. Люди, ученые да и просто рабочие, работающие не предприятиях контура корпорации уже не раз доказывали, что равных им в мире практически нет, как в плане амбициозности идей так и по блестящей реализации оных.
Все комментарии Оставить свой комментарий

Актуальные вопросы

  1. Кто такой Александр Прокопчук, претендующий на пост президента Интерпола?
  2. Могут ли уволить, если работаешь в офисе заболевшим?
  3. Как проверить, нет ли у мошенников доступа к вашим аккаунтам в интернете?


Самое интересное в регионах
САМОЕ ИНТЕРЕСНОЕ В СОЦСЕТЯХ