Коллаборация EXO, в которую входят специалисты из США, Германии, России, Канады и Кореи, установила новые ограничения на эффективную массу майорановских нейтрино.

Майорановскими называют частицы, тождественные своим античастицам. Известно, что такие свойства могут проявлять бозоны — частицы с целым значением спина, к которым относятся, скажем, нейтральный пион и фотон. Ответить на вопрос о существовании майорановских фермионов, элементарных частиц с полуцелым спином, гораздо сложнее: учёные давно пытаются доказать, что нейтрино, спин которых равен ½, идентичны антинейтрино, однако собрать убедительные экспериментальные данные пока не удаётся.

Говоря об убедительных данных, физики подразумевают наблюдение безнейтринного двойного бета-распада, который реализуется только при том условии, что нейтрино имеют майорановскую природу. Об этом гипотетическом явлении «КЛ» подробно рассказывала меньше месяца назад. Здесь же мы кратко напомним, что безнейтринный распад должен происходить ещё реже, чем и без того исключительно редкий «обычный» двойной бета-распад, характеризуемый преобразованием двух нейтронов в ядре в протоны и испусканием двух электронов и двух антинейтрино. Временные масштабы «обычного» процесса хорошо иллюстрирует пример изотопа 76Ge с надёжно установленным периодом полураспада в ~1,3•1021 лет, примерно в сто миллиардов раз превышающим возраст Вселенной.

Безнейтринный распад, в полном соответствии с названием, не будет сопровождаться вылетом антинейтрино. О его регистрации заявляли только сотрудники коллаборации «Гейдельберг — Москва», в конце ХХ века экспериментировавшей с упомянутым выше германием-76. Измеренный ею полупериод этого распада равен (2,23+0,44–0,31)•1025 лет.

Важно отметить, что другим необходимым условием безнейтринного двойного бета-распада становится ненулевая масса хотя бы одного из типов нейтрино. Если определить период полураспада, как это сделала группа «Гейдельберг — Москва», рассчитать эффективную массу майорановской частицы будет довольно просто.

Лавинные фотодиоды, используемые в эксперименте, при снятии показаний объединяются в группы по семь штук в каждой (фото EXO Collaboration).

Участники проекта EXO-200 работают не с германием, а с изотопом ксенона 136Xe, также (в теории) подверженным безнейтринному распаду. Значительный объём жидкого ксенона — сцинтиллятора, помещённого в крупный медный контейнер цилиндрической формы, — в этом эксперименте используется не только как источник пар электронов, рождающихся при двойном бета-распаде, но и как детектор: на обоих торцах контейнера смонтированы лавинные фотодиоды, регистрирующие сцинтилляционные фотоны. Интересно, что детектор EXO-200 установлен в подземном хранилище низкоактивных отходов WIPP, где его защиту обеспечивают мощный естественный слой пород, свинец и пластиковые сцинтилляционные панели, помогающие выделять фоновый сигнал от космических лучей.

Несмотря на то что эксперимент стартовал достаточно давно (около года назад), следы безнейтринного двойного бета-распада на EXO-200 пока не обнаружены. Этот отрицательный результат физики переформулировали в виде ограничений на соответствующий период полураспада: он, как выяснилось, должен превышать 1,6•1025 лет (на уровне доверительной вероятности в 90%) или 4,6•1025 лет (68%). Отсюда следует, что эффективная масса майорановских нейтрино не превосходит 140–380 мэВ.

По словам учёных, согласовать эти данные с результатами эксперимента «Гейдельберг — Москва» чрезвычайно трудно. Вероятнее всего, сообщение о регистрации безнейтринного двойного бета-распада всё же было ошибочным.