Mokslo ir technologijų pasaulis

Re­čiau­sio įvy­kio me­džio­klė ga­li paaiš­kin­ti, ko­dėl visa­to­je do­mi­nuo­ja ma­te­ri­ja – jei tik ga­lė­si­me ap­tik­ti tai, kas vyks­ta kar­tą per 100 tri­li­jo­nų tri­lij­onų (10²⁶) me­tų.

Jei būtumėte laukę nuo visatos gimimo, neturėtumėte vilties tai išvysti. Luktelėkit dar trilijoną trilijonų metų, kai visos žvaigždės jau bus išsikvėpusios ir ryškės kosmoso šiluminė mirtis, ir vis vien dar nebūtumėte arti. Tiesą sakant, jei tikėsime fizikos dėsniais, paieškoms galime tuščiai praIeisti visą amžinybę.

Tokie menki šansai, tačiau, fizikų neatgraso. Visoje planetoje tūkstančiai jų ieško rečiausio gamtinio proceso: radioaktyviojo skilimo, kuris, jei bus užregistruotas, galėtų atskleisti paslaptį, kodėl visatoje iš vis kažkas yra.

Radioaktyvusis skilimas yra gamtinė alchemija. Jis gali paversti kai kuriuos sunkesniuosius elementus į lengvesnius, tačiau vyksta savo grafiku – kai kuri elementai gyvuoja vos minutes, tuo tarpu kiti – tūkstantmečius. Šie radioaktyvūs procesai gyvybiškai svarbūs pačiam mūsų egzistavimui, nes įvairūs beta skilimai padeda Saulei teikti energiją. Plačiausiai žinomas beta skilimas neutroną atomo branduolyje paverčia protonu, išmesdamas elektroną ir antineutriną – neutrino antimateriškąjį atitikmenį.

1935 metais, fizikai spėjo kad kai kuriuose branduoliuose gali vykti du tokie beta skilimai iš karto. Šios rečiausios žinomos branduolinio skilimo formos įvykio tikimybė atskirai paimtame branduolyje yra vienas įvykis per 10¹⁹ – 10²⁴ metų. Tačiau jei stebėsime ne vieną, o daug atomų, šio įvykio užregistravimo tikimybė išauga, ir jau yra užfiksuotas 11 skirtingų sunkiųjų elementų branduolių.

Tačiau netgi tokių skilimų retumas neturi bendro su tuo, ko ieško mokslininkai. Vykstant beneutrininiam dvigubam beta skilimui, du neutronai transformuojasi į du protonus ir du elektronus – o antineutrinų iš viso nesukuriama (žr. pav.):

Kad toks dingimo triukas pavyktų, turi įvyktai kai kas nuostabaus. Susidarę du antineutrinai iš esmės turi vienas kitą panaikinti, panašiai, kaip kad dalelei susidūrus su savo antidalele, jos abi anihiliuoja. Tačiau jeigu šios dvi identiškos dalelės viena kitą neutralizuoja, tai neutrinai ir jų antidalelės turi būti vienas ir tas pats – jos turi būti materija ir antimaterija tuo pačiu metu. Kalbant apie fundamentalias materijos daleles, „daugiau jokioms dalelėms toks teiginys netinka“, sako Steve'as Biller'is iš Oxfordo universiteto.

Tai nebūtų pirmas kartas, kai neutrinai sugriovė nusistovėjusias teorijas. Nors pirmą kartą jie užfiksuoti 1956 metais, dar daug ko apie juos nežinome. Dalis problemos yra tai, kad jie ir patys nelabai domisi visata – kiekvieną sekundę per mus skrieja milijardai šių dalelių iš saulės, ir jie taip pat sėkmingai nesugerti perskrietų šviesmečio storio švino sluoksnį. Negi toks, regis, paprastas klausimas, ar neutrinai turi masę (taip, turi) buvo išspręstas tik šio tūkstantmečio pradžioje, ir šis rezultatas buvo toks reikšmingas kad laimėjo pernai metų Nobelio premiją. Bet vis dar nežinome, kodėl jų masė tokia maža – arba, kodėl jie būna trijų „skonių“.

Materija vs antimaterija

1937 metais italų fizikas Ettore Majorana iškėlė mintį, kad masę turintys neutrinai turėtų pasižymėti intriguojančia savybe. Kaip vienintelė fundamentali krūvio neturinti materijos dalelė, teoriškai ji galėtų būti savo pačios antidalelė – nauja „Majoranos neutrinų“ rūšis, kurioje neegzistuoja skirtumo tarp medžiagos ir antimedžiagos. Taip neutrinai galėjo sąveikauti su procesais, kuriančiais po lygiai materijos ir antimaterijos, bei taip iškreipti simetriją. Tai savo ruožtu galėtų paaiškinti, kaip šiek tiek materijos pirmaisiais visatos momentais sugebėjo išvengti anihiliacijos – ir iš jų susidarė žvaigždės. planetos ir mes.

„Pats mūsų egzistavimas gali būti susijęs su neutrino mase ir beneutrinininiu dvigubu beta skilimu,“ sako Wernerid Rodejohannas Maxo Plancko Branduolinės fizikos instituto Heidelberge, Vokietijoje. Tokio skilimo aptikimas būtų svarbus pasiekimas, sako jis, ir kažkuria prasme netgi fundamentalesnis už ilgai lauktą Higso bozono aptikimą. Tas atradimas patvirtino ilgai gyvuojantį teorinį modelį. O šis parodytų, kad dabartinės fizikos teorijos yra nebaigtos, ir pateiktų užuominų, kur link reikėtų ieškoti tęsinio.

„Daugeliu aspektų neutrinai atrodo neįprasti, tad galime rasti kažką keisto”

Bėda tik, kad per daugiau nei 50 paieškos metų, stebėtas vos vienas numanomas beneutrininis dvigubas beta skilimas. Apie jį 2001 metais paskelbė Gran Sasso laboratorija Italijoje. Jis tapo žinomas Klapdor-Kleingrothaus skilimu pagal Hansą Klapdor-Kleingrothausą, Heidelbergo universiteto mokslininką, gynusį jo patikimumą ilgiau nei dešimtmetį. Dauguma fizikų liko neįtikinti, bet šis rezultatas visus viliojo, besidominčius šio skilimu. „Mums visiems magėtų pažaisti su nauja fizika, bet jei būtumėte lošėjas, jus turėtų būti perspėję, kad tai menkai tikėtina,“ sako Billeris.

Siekis patvirtinti ar atmesti Klapdor-Kleingrothauso skilimą sukėlė aktyvumo pliūpsnį šioje srityje, ir įkvėpė pradėti tris eksperimentus, Gran Sasso, New Mexico ir Japonijoje. Per pastaruosius porą metų jie atmetė šį įvykį. Po ilgo laiko šios srities tyrėjai pagaliau gali nustoti šį teiginį naudoti savo tolesnių tikslų nustatymui, sako Steve'as Elliottas iš Los Alamos Nacionalinės laboratorijos New Mexico'e.

Šie dideli eksperimentai taip pat patikslino skilimo periodą, pastumdami trumpiausią laiką, kiek reikėtų laukti, kol atskiras branduolys suirtų beneutrinininiu dvigubu beta skilimu, prie 10²⁵ metų ribos.

Bet viltis dar neprarasta. Dabar veikia bent aštuoni eksperimentai, kuriais siekiama užfiksuoti procesą, ir šių detektorių dydžio ir jautrumo gali tam pakakti. Jų visų veikimas panašus: sukaupiama kuo daugiau itin gryno izotopo po žeme, kur jis apsaugomas nuo bombardavimo kosminėmis dalelėmis, galinčiomis užgožti įvykį. O tada laukiama. Remiantis didelių skaičių dėsniu, skilimas galiausiai turi įvykti.

Neutralumo išsaugojimas

Tačiau tai nelengva užduotis. Komandos ieško tokių retų įvykių, kad natūralaus radioaktyvumo fonas negali viršyti vieno įvykio per metus tonoje medžiagos. Netgi banane, dėl jame esančio kalio (⁴°K) pėdsakų, per sekundę įvyksta ~15 radioaktyviųjų skilimų, daugiau nei gana užgožti bet kokį bona fide signalą.

Kol kas vos keli izotopai yra pakankamai jautrūs ir jų pakankamai daug, kad būtų naudingi tokio masto eksperimentams. Visi jie turi savo pliusų, bet dabar visų akys nukreiptos į germanį. Koncentruota kristalinė j forma leidžia kurti kompaktiškesnius aparatus, galinčius labai tiksliai išmatuoti dviejų išspinduliuotų elektronų energiją, tad mokslininkams lengviau atskirti tikrą ieškomą skilimą nuo foninių įvykių. GERDA, Gran Sasso eksperimentas padėjęs paneigti Klapdor-Kleingrothaus skilimą, dabar pertvarkomas naudoti 40 kilogramų germanio. Jam ant kulnų mina pagrindinis varžovas, Majorana Demonstrator, įkurtas buvusioje aukso kasykloje po Leado miestu P. Dakotoje. Nuo šios vasaros jis rinks duomenis iš 44 kilogramų įtaiso.

Bet netgi to gali nepakakti. Remiantis optimistiškiausiais skilimo periodo vertinimais ir siekiant signalo užtikrintumo, reikėtų naudoti bent jau toną medžiagos, sako Juan Jose Gomez-Cadenas iš ksenoną naudojančios NEXT kolaboracijos Ispanijoje. Tai artėja prie ribos, ką gali suteikti vienas eksperimentas, o tai reiškia, kad reikės apjungti išteklius. „Vėjas sukasi nuo lenktynių link bendradarbiavimo,“ sako Gomez-Cadenas.

Majorana ir GERDA tyrėjai sutinka, kad jeigu iki 2018-ųjų neko nebus atrasta, jie apjungs jėgas ir kurs pirmąjį eksperimentą, kuriame bus panaudota tona optimizuoto izotopo. Tam reikia bent 10 tonų neapdoroto germanio, kuris gali būti gryninamas – beveik 10 procentų metinės pasaulinės pasiūlos, kuri kitu atveju atitektų technologijų kompanijoms naudoti spartesnių kompiuterių lustų gamybai. Bet netgi jei skilimas būtų užfiksuotas viename izotope, jį reikės patvirtinti kitu. O kadangi beneutrininio dvigubo beta skilimo atradimas įvardijamas belaukiančiu Nobeliu, tyrėjams reikės saugotis perdėto entuziazmo. Siekdami išvengti šališkumo Majorana eksperimento tyrėjai atliks aklą analizę, sako Elliottas, projekto atstovas. „Analizuojame tik mažą dalį duomenų, o likusi dalis iki sutarto laiko bus užrakinta.“

Ne jeigu tokia analizė patvirtins skilimo egzistavimą, vien to nepakaks įrodyti, kad už tai atsako Majorana neutrinai. Šį retą skilimą gali sukelti ir sudėtingesni mechanizmai, kur neutrinų vaidmenį atlieka kitos, dar neatrastos dalelės.

Tokius mechanizmus atskirti nelengva, bet fizikų arsenalą greitai praplės nauji eksperimentai – tarp jų KATRIN, dabar statomas Vokietijoje, kuriuo bus siekiama nustatyti trijų fundamentaliųjų neutrinų (elektrono neutrino (ν_e), miuono neutrino (ν_μ), ir tau neutrino (ν_τ) mases kartą ir visiems laikams, bei DUNE eksperimentas JAV, kuris nustatinės, kuri masė kuriam skoniui priklauso. Jei bendrininkauti dvigubą beta skilimą iš tiesų sukelia Majorana neutrinai, fizikai galės naudoti šių eksperimentų duomenis, skaičiuodami gyvavimo trukmę, paaiškina Rodejohannas. Tada bus galima palyginti, kaip šie rezultatai atitinka tiesioginius stebėjimus. „Jeigu neatitiks, bendrininkauti dvigubą beta skilimą sukelia kažkas kita – tai būtų išties nuostabu ir įspūdinga.“

Ir tai išties galėtų būti vertingas rezultatas. Tokius mechanizmus numato daug, dabar tiesiogiai CERN Didžiajame hadronų greitintuve tiriamų teorijų, tarp kurių ir supersimetrijos – laikomos realiausiu fundamentaliųjų sąveikų suvienijimo būdu – variantai.

Bet visgi dažnai, o ypač fizikoje, paprasčiausi sprendimai pasirodo esantys geriausi – ir dar vienas dalykas, kodėl Majorana neutrinai taip ieškomi, yra tas, kad jie galėtų išspręsti keblų tokios mažos neutrinų masės klausimą.

„Tokio skilimo aptikimas būtų netgi fundamentalesnis už ilgai lauktą Higso bozono aptikimą“

Dauguma fundamentaliųjų dalelių masę įgauna iš visur esančio Higgso lauko, kuro egzistavimas buvo įrodytas 2012 metais, atradus jo dalelę – Higgso bozoną. Bet nykstamai mažos neutrinų masės rodo, kad šios dalelės su Higgso lauku sąveikauja labai silpnai. Todėl kai kurie fizikai yra įsitikinę, kad egzistuoja ir kitas masės kūrimo mechanizmas.

Populiariausias iš jų teigia, kad iš tiesų yra d neutrinų variantai – kasdien mus skrodžiantys lengvieji, ir sunkesni, smarkiai lenkiantys visas kitas fundamentaliąsias daleles. Taip dviejų rūšių neutrinai atsiduria ant smarkiai nesubalansuotų kosminių sūpuoklių, kur ultrasunkūs nariai vienoje pusėje yra atsakingi už savo lengvesniųjų pusbrolių mažą masę kitoje pusėje.

Sunkesnieji neutrinai būtų suirę pirmaisiais visatos egzistavimo momentais ir būtų per sunkūs, kad juos būtų įmanoma atgaivinti kokiais nors įgyvendinamais eksperimentais, palikdami po savęs tik lengvesniuosius variantus. Tai matematiškai elegantiškas sprendimas, numatomas didžiosios daugumos „didžiųjų suvienijimo teorijų“ – bet tai veikia tik tokiu atveju, jei neutrinai yra Majorana dalelė. Kitaip tariant, negali būti atskiro ir kuo nors besiskiriančio antineutrino.

Kaip bebūtų – nauja detektorių karta sustiprins Majorana neutrinų spėjimą, ar ne, – jie priartins dar žingsneliu prie keistų ir nuostabių procesų, kuriuose dalyvauja neutrinai, supratimo. Billeris tiki, kad ši kukli dalelė gali padėti atrakinti vienus iš svarbiausių fizikos klausimų. „Daugeliu aspektų neutrinai atrodo neįprasti, tad galime rasti kažką keisto”. Tikėkimės, kad išsiaiškinimo nereikės laukti iki visatos pabaigos.

Matthew Chalmers
New Scientist № 3060