Дальний родственник бозона Хиггса

Коллаборация EXO-200 с участием российских ученых пока не смогла найти загадочные фермионы Майораны

Григорий Колпаков 05.06.2014, 09:53
Установка EXO-200 и участники коллаборации во время технических работ http://www-project.slac.stanford.edu
Установка EXO-200 и участники коллаборации во время технических работ

Физики продолжают искать таинственные фермионы Майораны — элементарные частицы, которые являются античастицами самих себя. Если они будут обнаружены, это заставит ученых изрядно пересмотреть картину мира. Но за два года соответствующий эксперимент, в котором участвуют и российские физики, положительного результата не принес.

Если уж частица неуловима, то она неуловима во всем. Пытаясь разобраться с природой одной из самых таких неуловимых частиц — нейтрино — и доказать ее принадлежность к классу так называемых фермионов Майораны, крупная международная коллаборация физиков проанализировала результаты своих двухлетних наблюдений и пришла к выводу, что ни доказать эту принадлежность, ни опровергнуть ее пока возможным не представляется.

Результаты показались исследователям настолько важными, что они опубликовали их в последнем номере Nature — одного из самых престижных научных журналов мира.

Фермион Майораны — гипотетическая частица, существование которой было предсказано итальянским теоретиком Этторе Майораной еще в 1938 году. Для каждого из фермионов — элементарных частиц с полуцелым спином, таких, например, как электрон, — характерно обязательное наличие античастицы, однако, по предположению Майораны, должны существовать фермионы, которые являются античастицами сами для себя.

Если такие частицы существуют, физикам придется изрядно подкорректировать картину мира.

По словам Ольги Зельдович из Института теоретической и экспериментальной физики, одной из участниц упомянутой коллаборации (куда помимо нее входят еще семь ученых из ИТЭФ, в том числе и один из самых цитируемых российских ученых Михаил Данилов), их существование может существенно повлиять и на физику, и на космологию — в первую очередь потому, что это приведет к несохранению так называемого лептонового числа, некой квантовой величины, характеризующей частицы, которая при любой ядерной реакции должна оставаться неизменной. На сегодня это правило считается законом, правда, законом не объясненным, а выведенным эмпирически.

За три четверти века, прошедших с появления этой гипотезы, фермион Майораны так и не был найден, однако физики поисков не прекращают. Этторе Майорана, таинственно исчезнувший вскоре после того, как выдвинул свою гипотезу (в ночь с 25 на 26 марта он сел на пароход, идущий из Неаполя в Палермо, и больше его никто не видел), был теоретиком очень высокого класса.

Его друг Энрико Ферми считал Майорану одним из величайших физиков современности, так что вряд ли тот мог сильно ошибаться.

Из всех известных миру частиц единственным кандидатом на роль фермиона Майораны является нейтрино — он не имеет электрического заряда и потому вполне может быть античастицей по отношению к самому себе. Если так, то выходит, что в некоторых ядерных реакциях это должно проявиться. И в частности, появятся указания на то, какова у нейтрино масса (а о том, что она есть, известно давно, но вот какова она, никто до сих пор толком не знает).

«Мы исследовали распад изотопа ксенона-136, — говорит Ольга Зельдович. — При этом распаде ксенон превращается в барий-136, испустив два электрона и два нейтрино. Если нейтрино представляет собой фермион Майораны, то в принципе возможна реакция без участия нейтрино. В течение двух лет мы исследовали эти распады в эксперименте под названием EXO-200 (The Enriched Xenon Observatory), позволяющем искать безнейтринные распады».

Главная сложность эксперимента заключается в том, что период полураспада ксенона-136 невероятно велик, он примерно в 10 млрд раз превосходит время жизни Вселенной.

Два года набора статистики позволили ученым уточнить эту цифру, однако безнейтринного распада они так и не обнаружили. По словам Ольги Зельдович, это не означает, что такого распада не существует — возможно, он просто не найден, и надо искать дальше, до тех пор, пока физики не «поймают сигнал».