Кристаллический детектор на основе рубидия-87: поиск следов стерильных нейтрино экспресс

‹›

Обычная поваренная соль на кухне кажется инертной, но внутри её кристаллической решётки могут происходить незаметные глазу события. Если в кристалле присутствуют атомы рубидия-87, они время от времени претерпевают бета-распад — один из видов радиоактивного превращения, при котором нейтрон в ядре превращается в протон, испуская электрон и антинейтрино. В результате рубидий-87 превращается в стронций-87, а выброшенный электрон уносит часть энергии распада.

Традиционно такие распады изучают, размещая радиоактивный источник рядом с детектором, который регистрирует вылетающие частицы. Однако в описываемом эксперименте применён более изящный подход: радиоактивный рубидий-87 встроили непосредственно в кристаллическую структуру самого детектора. Кристалл выращивали из расплава с добавкой рубидия — методом, аналогичным выращиванию крупных оптических кристаллов соли. Благодаря этому электрон, рождённый при распаде внутри кристалла, практически сразу попадает в вещество детектора и передаёт ему всю свою кинетическую энергию. Это исключает потери энергии на пути от источника к прибору и повышает точность измерений. Фактически, источник и приёмник объединены в одном куске кристалла.

Ключевая цель эксперимента — поиск так называемых стерильных нейтрино. Обычные нейтрино — это легчайшие известные частицы, которые крайне слабо взаимодействуют с веществом; их называют «частицами-призраками». Стерильное нейтрино — гипотетическая частица, которая взаимодействует ещё слабее, только через гравитацию, и потому не участвует в известных типах взаимодействий, кроме осцилляций. Если такое нейтрино существует и имеет определённую массу, оно может рождаться в бета-распаде вместо обычного нейтрино. Поскольку энергия, уносимая нейтрино, зависит от его массы, спектр электронов — распределение числа испущенных электронов по их энергиям — будет иметь характерный излом или «колено» при энергии, соответствующей массе стерильного нейтрино. Именно такой излом искали в измеренном спектре.

Аналогия из акустики помогает понять суть: представьте себе шум большой толпы, где множество голосов сливаются в общий гул. Если один голос звучит заметно громче остальных, в этом гуле появляется выделяющийся пик. Здесь вместо звука — энергия электронов, а вместо громкого голоса — вклад дополнительной массивной частицы, стерильного нейтрино.

На данный момент характерный излом в спектре не обнаружен, что накладывает ограничения на возможные параметры стерильных нейтрино. Однако сам метод продемонстрировал свою работоспособность. Кристалл с встроенным рубидием-87 оказался удобной экспериментальной платформой: он устраняет необходимость во внешнем радиоактивном источнике, а чувствительность можно наращивать, просто увеличивая размер кристалла. Это открывает путь к более масштабным поискам в будущем.