безнейтринный двойной бета-распад

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.

В глубине горы, где мюоны космических лучей глушатся толщей породы, стоит детектор, который ловит не свет, а его отсутствие. Позитроний — крошечный атом, в котором электрон и его античастица позитрон кружат друг вокруг друга, как пара танцоров. Обычно они сходятся и исчезают во вспышке из двух или трёх гамма-квантов.

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

Солнечные нейтрино — крошечные частицы, рождающиеся в недрах Солнца каждую секунду триллионами. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её, и долгое время считались абсолютно стабильными. Но, возможно, и они способны «стареть» — незаметно распадаться, исчезая по пути к нам. Проверить это взялись физики, работающие с детекторами тёмной материи.

Массивная звезда исчерпывает топливо — и её ядро схлопывается за доли секунды. Рождается сверхновая, а вместе с ней — короткий, но мощный ливень нейтрино. Эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, поэтому свободно улетают, неся информацию о катастрофе.

Песочные часы, в которых песчинки превращаются в другие прямо во время падения, — вот на что похожи нестабильные атомные ядра. Они живут мгновение и распадаются, выбрасывая электрон (это и есть бета-распад). В сентябре 2025 года в рамках проекта FRIB Theory Alliance собрались теоретики и экспериментаторы, чтобы обсудить, как использовать такие распады для изучения устройства материи.

В 1946 году предложил метод, перевернувший археологию: определять возраст по распаду радиоуглерода. Часы тикают: каждые 5730 лет половина атомов исчезает. Но почему так медленно? Для лёгкого ядра это аномалия — типичные сроки жизни в миллионы раз короче. Семь десятилетий загадка держалась. Ответ прятался в ядре азота, куда углерод превращается.

В первые секунды после Большого взрыва Вселенная оставила нам не только свет, но и нечто гораздо более неуловимое — реликтовый нейтринный фон. Это эхо мироздания пронизывает каждый кубический сантиметр, но мы его почти не замечаем.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро коллапсирует, порождая сверхновую и испуская всепроникающий ливень нейтрино.

В ядерной физике долго царило убеждение, что два нейтрона не могут образовать связанное состояние — они слишком слабо притягиваются и сразу разлетаются. Однако на поверхности нейтронно-избыточных ядер, где плотность вещества падает до тысячных долей от нормальной ядерной, ситуация кардинально меняется.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая лаборатория, где вещество сжато до немыслимых плотностей. В первые мгновения после слияния рождается горячее облако, которое остывает, испуская нейтрино. Эти частицы-невидимки уносят энергию и диктуют, сколько вещества будет выброшено в космос и какие тяжёлые элементы синтезируются.

С одной стороны весов — всё вещество Вселенной, с другой — всё антивещество. По законам физики в момент рождения мира чаши должны были уравновеситься. Но мы видим, что одна чаша перевесила: вокруг нас звёзды, планеты, люди, а антивещества почти нет. Этот перекос — одна из главных загадок.

Глубоко под землёй в Японии стоит огромный резервуар с чистейшей водой. Он ждёт редких гостей — нейтрино, прилетающих от взрывов далёких звёзд. Таких гостей почти не бывает: за годы наблюдений аппарат Super-Kamiokande регистрирует лишь несколько событий. Но недавно физики заметили, что гостей чуть больше, чем ожидалось.

Переводчик вслушивается в многолетний шум, пытаясь уловить одно-единственное слово. Такую задачу решают физики, охотящиеся за безнейтринным двойным бета-распадом нейтрино. Этот гипотетический процесс похож на атомное ядро, испустившее два электрона, но «забывшее» выпустить пару нейтрино.

В первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия должны были родиться поровну. Но сегодня мы видим только материю — звёзды, планеты, нас самих. Куда делась антиматерия? Одна из разгадок прячется в почти неуловимых частицах — правых нейтрино. Обычно считается, что они, распадаясь, создают лёгкий перекос в пользу материи.

Огромный резервуар с чистейшей водой спрятан глубоко под землёй в Японии. Его стены усеяны тысячами светочувствительных ламп, которые ловят слабые вспышки — следы частиц-призраков, пролетающих сквозь толщу воды. Этот детектор, Super-Kamiokande, долго всматривался в небо в поисках нейтринного эха древних звёздных взрывов. И вдруг — неожиданный всплеск.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий суп из элементарных частиц. Даже нейтрино — легчайшие частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом — тогда активно сталкивались со всем подряд.

Переводчик на полпути через зал вдруг начинает передавать сообщение наоборот. Примерно так может повести себя нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещества, — если на его пути встретится облако сверхлёгкой тёмной материи.

Внутри каждого атома живёт протон. Долгое время его считали вечным, как саму материю. Но теории, объединяющие все силы природы, предсказывают: рано или поздно протон распадётся. Вопрос лишь в том, сколько ждать. В японском детекторе Super-Kamiokande — гигантском баке с чистейшей водой — физики искали следы такого распада.

В ядре атома углерода частицы сидят по своим «квартирам» — как жильцы, которые не могут занять одну и ту же комнату. Это правило физики называют принципом запрета Паули: два одинаковых обитателя ядра не могут находиться в одном и том же состоянии. Но что, если правило иногда нарушается?

Нейтрино — крошечные частицы, которые проходят сквозь толщу планеты, как свет сквозь оконное стекло. Каждую секунду через ноготь вашего мизинца пролетают миллиарды таких частиц, но поймать хотя бы одну — задача не из лёгких. Для этого в Канаде вырыли шахту глубиной два километра и поставили там детектор SNO+. Глубина нужна, чтобы спрятаться от космических лучей, которые создают помехи.

Столкновение двух свинцовых ядер на Большом адронном коллайдере — это как бросить друг в друга два увесистых мешка с шариками. Обычно шарики разлетаются во все стороны, но иногда один мешок пролетает так близко, что шарики не сталкиваются, а лишь обмениваются взглядами.

В первые минуты Большого взрыва Вселенная приготовила первичный нуклеосинтез — коктейль из лёгких элементов: водорода, гелия и щепотки лития.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро когда-то взорвавшейся звезды, сжатое до размера города. Если рядом есть обычная звезда, нейтронная звезда перетягивает с неё вещество, как пылесос. Это вещество падает на поверхность и образует корку — твёрдый слой из атомных ядер, богатых нейтронами.

В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.

Тау-лептон — тяжёлый родственник электрона, который живёт меньше триллионной доли секунды. Обычно он распадается на более лёгкие частицы, но никогда — сразу на три мюона: такой переход запрещён известными законами физики частиц. Если бы он произошёл, это означало бы, что в природе действуют неизвестные силы.

В ядре атома протоны и нейтроны укладываются слоями, как зрители в переполненном зале. Когда слой заполнен, ядро становится особенно устойчивым — физики зовут такие «полные ряды» магическими числами. Одно из них, 32, долго пряталось от глаз: у ядер с 32 нейтронами оно проявляется слабо, а у некоторых соседей его будто нет вовсе.

Атомное ядро обычно живёт по своим законам: его распад не зависит от температуры, давления или соседей по молекуле. Но у изотопа урана-235m есть удивительное исключение. Это ядро находится в возбуждённом состоянии, как туго натянутая пружина, и рано или поздно высвобождает лишнюю энергию.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была горячим бульоном из частиц. Среди них могли быть нейтрино — очень лёгкие и почти неуловимые частицы. Некоторые из них, возможно, были «стерильными»: они почти не общаются с остальным веществом, как тихий гость на шумной вечеринке.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

Внутри ускорителя частицы сталкиваются, и на короткий миг рождается B-мезон — тяжёлая частица, живущая меньше миллиардной доли секунды. Обычно она распадается на множество осколков, но иногда превращается всего в две частицы: мюон и нейтрино. Этот редкий путь похож на лотерею, где выигрышный билет выпадает один раз на два миллиона тиражей.

В первые минуты после Большого взрыва Вселенная напоминала раскалённую кухонную плиту. По «рецепту» стандартной космологической модели в этом первичном нуклеосинтезе должны были образоваться водород, гелий и немного лития.

Камешек падает в пруд, и по воде расходятся круги. Но иногда камешек не сразу уходит на дно: он скользит под поверхностью, проплывает несколько метров и лишь потом всплывает, порождая круги в неожиданном месте. Так физики ищут долгоживущие частицы: они рождаются в столкновении протонов, летят сквозь детектор незамеченными, а затем распадаются на обычные частицы вдали от точки рождения.

Видимое вещество — лишь капля в огромном космическом бульоне. Основу Вселенной составляет незримая тёмная материя — гипотетическая субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, но своей гравитацией удерживает галактики от распада.

Когда облако атомов охлаждают до сверхнизких температур, они способны входить в единое квантовое состояние, действуя как согласованный ансамбль. Если в таком облаке рождается нейтрино — почти не взаимодействующая с веществом частица-призрак, — оно обычно ускользает незаметно.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.