Вы один из авторов этой статьи? Напишите нам с рабочей или университетской почты, указав arXiv ID этой статьи, и мы подтвердим вас и дадим доступ к редактированию этой страницы.
Вы автор работы и видите, что мы что-то упустили или поняли неточно? Напишите нам: тема письма уже содержит номер статьи. Мы прочитаем, учтём и поправим разбор.
Вы автор этой работы и не хотите, чтобы наш разбор был опубликован? Напишите нам с рабочего или университетского адреса — после подтверждения мы снимем страницу с публикации.
Детектор PandaX-4T прослушал 148 килограммов ксенона в поисках распада, который мог бы выдать природу нейтрино, и услышал только фон.
Представьте комнату, где одновременно разговаривают сотни людей, а вы пытаетесь услышать, как падает иголка. Именно так физики из коллаборации PandaX-4T слушали тишину внутри 3,7 тонн жидкого ксенона. Их «иголка» — безнейтринный четверной бета-распад ксенона-136, событие настолько редкое, что за год в килограмме вещества распался бы меньше одного атома. Детектор расположен глубоко под землёй, в китайской лаборатории Цзиньпин, где скальная толща глушит космический шум.
Почему именно четверной? Обычный двойной бета-распад без нейтрино давно ищут, потому что он указал бы на майорановскую природу нейтрино — то есть нейтрино было бы само себе античастицей. Но десятилетия поисков не дали результата. В 2013 году физики Хик и Родежоанн предложили искать четверной распад: он возможен даже для дираковских нейтрино, которые отличаются от своих античастиц. Если четверной распад найдётся, а двойной нет, это будет сильный аргумент в пользу дираковской природы.
Чтобы расслышать столь слабый сигнал, нужно не только убрать внешний шум, но и точно знать, как звучит сам прибор. Учёные собрали данные двух сеансов работы детектора: пусконаладочного и первого научного. Суммарная экспозиция составила 148,4 килограмма-года по изотопу ксенон-136. Они расширили область поиска до энергий от 20 до 140 килоэлектронвольт, чтобы захватить ожидаемый пик на 79 килоэлектронвольтах. Затем смоделировали все возможные источники фона: примеси криптона-85 и радона, двойной бета-распад самого ксенона, двойной электронный захват ксенона-124 и даже солнечные нейтрино.
Что такое килограмм-год? Это мера накопленной чувствительности. Один килограмм-год означает, что детектор проработал год с одним килограммом вещества. Если у вас 148 килограммов ксенона-136, то за год наблюдений вы накопите 148 килограмм-лет. Чем больше это число, тем выше шанс поймать редкое событие.
Результат прослушивания оказался тишиной. В спектре не нашлось статистически значимого превышения над фоном. Зато тишина позволила поставить новый предел: период полураспада безнейтринного четверного бета-распада ксенона-136 больше, чем 6,01×10²⁴ лет. Это в 1,6 раза строже предыдущего ограничения, установленного детектором XMASS. Теперь можно уверенно сказать: если такой распад и происходит, то ждать его придётся дольше, чем существует Вселенная, в 400 триллионов раз дольше.
Пока тишина не отвечает на главный вопрос о природе нейтрино, но она сужает поле для теоретиков. Модели, предсказывавшие более быстрый четверной распад, теперь отброшены. А сама охота продолжается: впереди анализ данных второго научного сеанса PandaX-4T и строительство детектора PandaX-xT с массой в десятки тонн. Возможно, в ещё более глубокой тишине иголка наконец упадёт.
Период полураспада 6,01×10²⁴ лет в 400 триллионов раз больше возраста Вселенной. Если бы такой распад происходил, в килограмме ксенона-136 распадалось бы меньше одного атома в год.
В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня нейтрино используются для связи с инопланетной цивилизацией. Поиск редчайших распадов, таких как 0ν4β, напоминает попытки уловить почти неощутимые сигналы из глубин микромира.