Это выполнение очень важно для развития и предложения намного большего будущего эксперимента – с приблизительно тонной датчиков – чтобы изучить природу нейтрино. Эти электрически нейтральные частицы взаимодействуют только слабо с вопросом, делая их обнаружение чрезвычайно трудным.«Избыток вопроса по антивеществу – одна из самых востребованных тайн в науке», сказал Джон Вилкерсон ORNL и Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл.
Вилкерсон побеждает ДЕМОНСТРАНТА MAJORANA, который вовлекает 129 исследователей от 27 учреждений и 6 стран. «Наш эксперимент стремится наблюдать явление, названное ‘neutrinoless распад двойной беты’ в атомных ядрах. Наблюдение продемонстрировало бы, что нейтрино – свои собственные античастицы и имеют глубокие последствия для нашего понимания вселенной. Кроме того, эти измерения могли обеспечить лучшее понимание массы нейтрино».В отчете 2015 года американского Ядерного Научного Консультативного комитета в Министерство энергетики и Национальный научный фонд, ведомый США эксперимент масштаба тонны, чтобы обнаружить neutrinoless распад двойной беты считали высшим приоритетом ядерного сообщества физики.
Почти дюжина экспериментов искала neutrinoless распад двойной беты, и поскольку много будущих экспериментов были предложены. Один из их ключей к успеху зависит от предотвращения фона, который мог подражать сигналу neutrinoless распада двойной беты.Это было ключевым выполнением ДЕМОНСТРАНТА MAJORANA. Его внедрение было закончено в Южной Дакоте в сентябре 2016, почти метрополитене мили в Экспериментальной установке Метрополитена Сэнфорда.
Расположение эксперимента под почти милей скалы было первым из многих сотрудников шагов, взял, чтобы уменьшить вмешательство происхождения. Другие шаги включали криостат, сделанный из самой чистой меди в мире и сложного щита с шестью слоями, чтобы устранить вмешательство из космических лучей, радона, пыли, отпечатков пальцев и естественных радиоактивных изотопов.«Если Вы собираетесь искать neutrinoless распад двойной беты, очень важно знать, что радиоактивный фон не собирается сокрушать сигнал, который Вы ищете», сказал Дэвид Рэдфорд ORNL, ведущий ученый в эксперименте.Есть много путей к атомному ядру, чтобы развалиться.
Общий способ распада происходит, когда нейтрон в ядре испускает электрон (названный «бетой») и антинейтрино, чтобы стать протоном. В распаде двойной беты с двумя нейтрино два нейтрона распадаются одновременно, чтобы произвести два протона, два электрона и два антинейтрино. Этот процесс наблюдался. Сотрудничество MAJORANA ищет доказательства подобного процесса распада, который никогда не наблюдался, в котором не испускаются никакие нейтрино.
Сохранение количества лептонов – субатомных частиц, таких как электроны, мюоны или нейтрино, которые не принимают участие в сильных взаимодействиях – было написано в Стандартную Модель Физики. «Нет никакого действительно серьезного основания для этого, просто наблюдение, что кажется, что это имеет место», сказал Рэдфорд. «Но если число лептона не сохранено, когда добавлено к процессам, что мы думаем, произошел во время очень ранней вселенной, которая могла помочь объяснить, почему есть больше вопроса, чем антивещество».Многие теоретики полагают, что число лептона не сохранено, что нейтрино и антинейтрино – у которых, как предполагалось, были противоположные числа лептона – являются действительно той же самой частицей, вращающейся по-разному. Итальянский физик Этторе Майорана ввел то понятие в 1937, предсказав существование частиц, которые являются их собственными античастицами.МЭДЖОРАНА ДЕМОНСТРЭТОР использует германиевые кристаллы и в качестве источника распада двойной беты и в качестве средств обнаружить его.
Германий 76 (Ge 76) распады, чтобы стать селеном 76, у которого есть меньшая масса. Когда германий распадается, масса преобразована в энергию, которая унесена электронами и антинейтрино. «Если вся эта энергия идет в электроны, то ни один не оставлен для нейтрино», сказал Рэдфорд. «Это – ясный идентификатор, что мы учреждаем мероприятие, которое мы ищем».Ученые различают с двумя нейтрино против способов распада neutrinoless их энергетическими подписями. «Это – распространенное заблуждение, что наши эксперименты обнаруживают нейтрино», сказал Джейсон Детвилер из Вашингтонского университета, который является co-представителем Сотрудничества MAJORANA. «Это почти смешное, чтобы сказать это, но мы ищем отсутствие нейтрино. В распаде neutrinoless выпущенная энергия всегда – конкретная стоимость.
В версии с двумя нейтрино выпущенная энергия варьируется, но всегда меньше, чем для neutrinoless распада двойной беты».ДЕМОНСТРАНТ MAJORANA показал, что neutrinoless период полураспада распада двойной беты Ge 76 составляет по крайней мере 1 025 лет – 15 порядков величины дольше, чем возраст вселенной. Таким образом, невозможно ждать единственного германиевого ядра, чтобы распасться. «Мы обходим невозможность наблюдения одного ядра в течение долгого времени, вместо этого смотря на заказе 1 026 ядер для более короткого количества времени», объяснил co-представитель Винсенте Гисеппе из Университета Южной Каролины.
Возможности определения neutrinoless распада двойной беты в Ge 76 редки – не больше, чем 1 для каждых 100 000 распадов двойной беты с двумя нейтрино, сказал Гуизепп. Используя датчики, содержащие большие суммы германиевых атомов, увеличивает вероятность определения редких распадов. Между июнем 2015 и мартом 2017, ученые не наблюдали событий с энергетическим профилем распада neutrinoless, процесс, который еще не наблюдался (это ожидалось, учитывая небольшое количество германиевых ядер в датчике). Однако они были поощрены видеть много событий с энергетическим профилем распадов с двумя нейтрино, проверив, что датчик мог определить процесс распада, который наблюдался.
Результаты Сотрудничества MAJORANA совпадают с новыми результатами конкурирующего эксперимента в Италии под названием GERDA (для Германиевого Множества Датчика), который проявляет дополнительный подход к изучению того же самого явления. «У ДЕМОНСТРАНТА MAJORANA и GERDA вместе есть самый низкий фон любого neutrinoless эксперимента распада двойной беты», сказал Рэдфорд.ДЕМОНСТРАНТ был разработан, чтобы заложить основу для эксперимента масштаба тонны, демонстрируя, что фоны могут быть достаточно низкими, чтобы оправдать строительство более крупного датчика.
Так же, как более крупные телескопы собирают более легкий и позволяют рассмотреть более слабых объектов, увеличивание массы германия допускает большую вероятность наблюдения редкого распада. С в 30 раз большим количеством германия, чем текущий эксперимент запланированный однотонный эксперимент был бы в состоянии определить neutrinoless распад двойной беты всего одного германиевого ядра в год.
ДЕМОНСТРАНТ MAJORANA запланирован, чтобы продолжить брать данные в течение двух или трех лет. Между тем слияние с GERDA находится в работах, чтобы разработать возможный однотонный датчик под названием ЛЕГЕНДА, запланированная, чтобы быть построенным шаг за шагом в как все же, чтобы быть определенным местом.
ЛЕГЕНДА 200, демонстрант ЛЕГЕНДЫ и шаг к возможному будущему эксперименту масштаба тонны, будет комбинацией ГЕРДЫ, MAJORANA и новых датчиков. Ученые надеются начать на первой стадии ЛЕГЕНДЫ 200 к 2021.
Эксперимент масштаба тонны, ЛЕГЕНДА 1000, был бы следующей стадией, если одобрено. «Это слияние усиливает государственные инвестиции в ДЕМОНСТРАНТЕ MAJORANA и GERDA, объединяя лучшие технологии каждого», заявили co-докладчик Сотрудничества ЛЕГЕНДЫ (и давний докладчик MAJORANA вплоть до прошлого года) Стив Эллиотт из Национальной лаборатории Лос-Аламоса.