Один из наиболее интригующих вопросов современной физики — почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Ответ может скрываться в понимании природы нейтрино: в одной из главных теоретических моделей эта частица идентична своей античастице. Если так, то становится возможным редчайший ядерный процесс, называемый двойным безнейтринным бета-распадом (0).
До сих пор его никому не удавалось зарегистрировать, но эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array), который идет при определяющем участии коллектива научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (Дубна), сумел достичь наилучшего предела на период полураспада 0vbb-распада в сравнении со всеми конкурирующими проектами.
Нейтрино — частица, которую крайне сложно зарегистрировать, однако определение ее свойств позволило значительно продвинуться в понимании физики элементарных частиц. Четыре Нобелевские премии вручены в последние годы за исследования в области нейтринной физики. Несмотря на это, вопрос о природе нейтрино (является ли нейтрино частицей Майораны (частица тождественна своей античастице) или Дирака)) по-прежнему остается открытым.
Двойной двухнейтринный бета-распад — это разрешенный процесс, в котором два нейтрона в ядре одновременно распадаются на два протона, два электрона и два антинейтрино. Этот редкий процесс наблюдался уже на нескольких ядрах, в том числе на Ge-76. В гипотетическом 0vbb-распаде нейтрино отсутствуют, а значит, не сохраняется лептонное число. Поэтому данный процесс полностью запрещен в стандартной модели (СМ) электрослабого взаимодействия. Таким образом, регистрация 0vbb-распада будет однозначным доказательством существования «новой физики» за пределами СМ.
В настоящее время существует множество проектов, направленных на поиск этого удивительного распада, в которых используются различные изотопы и методики регистрации. Эксперимент GERDA — один из самых важных в этой области физики. Он проводится в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии силами европейских и российских ученых.
В GERDA применяются детекторы, изготовленные из особо чистого германия, обогащенного изотопом Ge-76. Поскольку германий является одновременно источником и детектором искомых событий, эффективность регистрации близка к максимальной. Кроме того, экспериментальная установка компактна и требует минимального количества конструкционных материалов, что является принципиально важным для достижения низкого уровня фона. Высокое энергетическое разрешение, присущее германиевым детекторам, и инновационные экспериментальные методики, разработанные коллаборацией GERDA, обеспечивают рекордное подавление естественного радиоактивного фона.
Эксперимент GERDA отличает принципиально новый подход к использованию германиевых детекторов — здесь открытые детекторы непосредственно погружены в жидкий аргон, который не только охлаждает их до рабочей температуры (87 градусов Кельвина), но и служит дополнительной защитой от фонового излучения. Детекторы общей массой около 40 кг смонтированы в семь гирлянд внутри криостата с жидким аргоном (64 кубометра), расположенного в водяном резервуаре объемом 590 кубометров, который, в свою очередь, находится в подземной лаборатории Гран-Сассо, защищающей установку от космического излучения.
Во второй фазе эксперимента удалось существенно повысить чувствительность регистрации. По результатам анализа всей накопленной в проекте статистики в 127,2 кг•лет (из них в второй фазе — 103,7 кг•лет) сигнал от 0vbb-распада обнаружен не был. Установлен лучший в мире предел на период полураспада > 1,8 х 10^28 лет (90% C.L.).
Линейная зависимость чувствительности от экспозиции, продемонстрированная в GERDA, еще раз доказывает, что набор данных проходил в бесфоновом режиме. Это уникальное достижение позволяет рассчитывать на успешное осуществление крупномасштабного бесфонового германиевого проекта LEGEND. Первая фаза нового эксперимента будет проводиться на базе модифицированной инфраструктуры GERDA в Гран-Сассо и оперировать с 200 кг детекторов из Ge-76. Чувствительность в 10^27 лет планируется достичь после пяти лет набора данных, а старт LEGEND ожидается уже в конце текущего года.