Сибирские ученые создали кристаллы, которые могут преобразить современную физику

11 апреля 2012 года

Сибирские ученые впервые в мире получили высококачественные кристаллы для экспериментов, которые могут показать ошибочность современной основополагающей физической теории - Стандартной модели элементарных частиц.

Кристаллы молибдата цинка и вольфрамата кадмия, выращенные в Институте неорганической химии СО РАН (Новосибирск), планируется использовать в создании детекторов для эксперимента по поиску так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Если исключительно редкое событие будет зафиксировано, это будет означать, что считавшаяся ранее безмассовой элементарная частица нейтрино имеет массу и является античастицей для самой себя, а значит, Стандартная модель нуждается в пересмотре.

"Первыми в мире мы вырастили кристаллы вольфрамата кадмия и молибдата цинка, обладающие необходимыми свойствами для регистрации редких событий, в частности, для изучения неуловимых частиц нейтрино", - сказал заведующий лабораторией роста кристаллов ИНХ СО РАН Владимир Шлегель.

По его словам, испытания кристаллов молибдата цинка в Институте масс- и ядерной спектрометрии в Орсе (Франция), а также в одной из крупнейших подземных лабораторий мира - Национальной лаборатории Гран-Сассо итальянского Национального института ядерной физики, показали, что на сегодня этот материал является одним из лучших кандидатов для использования в детекторах двойного бета-распада.

Шлегель и его коллеги с Украины, из Франции, Италии и США в статье, опубликованной в журнале Physics Letters B, показали, что детекторы из таких кристаллов обладают исключительно высокой чувствительностью при фоновом сигнале, близком к нулю.

"Низкотемпературные сцинтилляционные болометры из молибдата цинка являются подходящими кандидатами для будущих экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада", - говорится в статье.

НЕУЛОВИМЫЙ БЕЗНЕЙТРИННЫЙ

Двойным бета-распадом называют один из видов радиоактивного распада атомного ядра, который наблюдается крайне редко и сопровождается испусканием двух электронов и двух нейтрино. Некоторые теории предсказывают существование безнейтринного двойного бета-распада, который до сих пор не был достоверно обнаружен в эксперименте.

Соавтор исследования, Федор Даневич из киевского Института ядерных исследований пояснил , что более 10 лет назад группа ученых из Германии и России проводила в Италии эксперимент по поиску безнейтринного распада с помощью детекторов, изготовленных из изотопа германия-76.

В 2001 году руководитель германской части научной группы Ханс Клапдор-Кляйнгротхауз (Hans Klapdor-Kleingrothaus) и несколько его коллег, без согласования с другими членами коллаборации, опубликовали статью, в которой заявляли, что им удалось зафиксировать безнейтринный распад.

"Коллаборация в целом этот результат не приняла. Он пошел против коллаборации, русскую часть даже не предупредил. До сих пор остается неясным, наблюдали они эффект или нет, до сих пор этот результат интригует", - сказал Даневич.

Эксперименты, в которых исследуют двойной бета-распад, требуют очень долгого времени наблюдений, ведь даже разрешенный Стандартной моделью двухнейтринный двойной бета-распад является самым редким процессом во Вселенной, зарегистрированным человечеством. При тех периодах полураспада, на которые нацелены сейчас лучшие эксперименты, пытающиеся увидеть неуловимый процесс, в десятикилограммовом детекторе за несколько лет наблюдений ожидается всего несколько распадов, отметил Даневич.

СТАНДРТНАЯ МОДЕЛЬ И "СУПЕРКРИСТАЛЛЫ" ИЗ НОВОСИБИРСКА

Может или не может происходить безнейтринный бета-распад, зависит от свойств нейтрино, поясняют ученые. Если такой тип распада будет надежно зафиксирован, это будет означать, что нейтрино имеет массу и является майорановской частицей, тождественной своей античастице. Даневич отмечает, что это станет открытием нового типа материи.

По его словам, ранее наличие массы у нейтрино было надежно доказано в экспериментах с осцилляцией нейтрино, однако они не позволяют определить ее значение.

"Величину массы нейтрино можно измерить в эксперименте с безнейтринным двойным бета-распадом"

Криогенные сцинтилляционные болометры на основе "новосибирских кристаллов" открывают новые возможности в этой сфере исследования. "Это очень перспективная и инновационная техника", - сказал Даневич.

Эксперимент предполагает, что несколько десятков килограммов кристаллов молибдата цинка будут помещены в место, надежно изолированное от космических лучей и очищенное от всех источников радиации. Это могут быть, например, подземные тоннели лаборатории Гран-Сассо, где работают многие другие нейтринные эксперименты, в числе которых прославившийся открытием гео-нейтрино (то есть, нейтрино из глубин Земли) эксперимент Borexino.

Когда в ядре атома молибдена происходит безнейтринный двойной бета-распад, он испускает два электрона, вызывающих сцинтилляционную вспышку и небольшое повышение температуры, которые фиксируются чрезвычайно чувствительными сенсорами.

"Мы получаем и световой сигнал и тепловой, а главное, что энергетическое разрешение получается очень высоким", - пояснил ученый. Он добавил, что для надежного доказательства существования безнейтринного распада требуется зафиксировать хотя бы 10-15 событий.

Для успешного поиска безнейтринного распада подходит очень небольшое число изотопов - не более десятка. Молибден-100 - один из лучших, у него выше энергия распада и, следовательно, больше шансов "поймать" событие.

"Очень большое достижение новосибирцев, что они сделали этот кристалл достаточно высокого качества и достаточно больших размеров. Раньше говорили, что этот кристалл вообще невозможно вырастить. Были попытки в Москве и в Харькове, но в Новосибирске его довели до практически идеального состояния", - сказал Даневич.

По его словам, сейчас сибирские коллеги работают над тем, чтобы создать технологию, способную дать требуемое для эксперимента количество и качество кристаллов.

"Нам нужны сотни килограммов, чтобы провести эксперимент, способный увидеть массу нейтрино, если схема массовых состояний этой частицы инвертирована, а чтобы повысить шансы, увидеть этот распад, нужны кристаллы из обогащенного изотопа молибдена-100", - сказал Даневич.

Уже через пару лет ученые рассчитывают начать демонстрационный эксперимент с несколькими килограммами таких кристаллов, чтобы проверить, насколько хорошо они "работают". После этого будет приниматься решение о начале полномасштабного эксперимента, который будет проводиться, скорее всего, на европейские деньги. Как отметил Даневич, детекторы на основе кристаллов молибдата цинка также могут быть использованы для поиска темной материи и регистрации солнечных нейтрино.

"Для строительства полноценного детектора нейтрино необходимы сотни и тысячи килограммов полученного нами кристалла, но, поскольку стоимость нужного изотопов молибдена в разы выше, чем платины, пока мы изготовили небольшие экспериментальные образцы весом в 200-300 граммов", - сказал Шлегель.