Исследователи обклеивают фольгой стороны сверхчувствительного детектора, призванного захватывать свет
Первые частицы во Вселенной сформировались после того, как взорвался горячий и плотный комок. Физики считают, что в экстремальных условиях Большого взрыва свет превратился в материю: электроны, протоны и нейтроны, которые позже стали частью нас с вами.
Но физики не уверены насчёт того, как именно произошла такая трансформация. В 90-х физики показали, что они могут преобразовывать свет в материю, сталкивая два пучка излучения чрезвычайно большой энергии. Также они обнаружили, что свет в то же время создаёт равное количество антиматерии. Самые первые частицы материи должны были встретиться с их родственниками из области антиматерии и аннигилировать. Взрыв – и нет больше материи.
Но, очевидно, материя есть. По какой-то причине после Большого взрыва материи сформировалось больше, чем антиматерии, и физики не знают, по какой. «Это одна из крупнейших загадок Вселенной», – говорит физик Дон Линкольн из Фермилаб.
За последние 50 лет в лабораториях и в уравнениях они охотились за процессами, производящими больше материи, чем антиматерии. Один из кандидатов: предсказанный радиоактивный процесс, в котором два нейтрона превращаются в атоме в два протона. Теоретики считают, что в этом процессе, известном, как безнейтринный двойной бета-распад, возникают два электрона и никакой антиматерии. Два новых кусочка материи появляются во Вселенной, и детекторы должны суметь их обнаружить. Если этот процесс произошёл достаточно много раз после Большого взрыва, он может объяснить, откуда взялась эта дополнительная материя.
Но вот в чём подвох: никто никогда не видел, как два нейтрона превращаются в два протона. Из предыдущих экспериментов и расчётов видно, что этот процесс с наибольшей вероятностью будет происходить в определённых атомах, например, в атомах германия и ксенона. Когда в атоме германия два нейтрона становятся протонами, атом превращается в новый элемент, селен. В опубликованной недавно в журнале Nature работе исследователи используют данные со своего сверхчувствительного детектора для подсчёта, согласно которому на то, чтобы половина кристалла германия превратилась через такой распад в селен, уйдёт более 1025 лет. Это в квадриллион раз больше возраста Вселенной. «Это на самом деле очень редкое событие», – говорит физик Питер Грабмейр [Peter Grabmayr], один из участников эксперимента Germanium Detector Array (GERDA) и один из авторов работы.
Грабмейр не боится таких шансов. Для подтверждения того, что такой процесс имеет место, не нужно превращать половину кристалла в селен. Нужно обнаружить распад всего нескольких атомов. Если любой атом из их 36-киллограммового кристалла германия превратится в селен, он смогут засечь энергию двух появившихся электронов, которая будет выглядеть как свет при столкновении с детектором. Чтобы другие источники излучения, вроде космических лучей, не влияли на детектор, кристалл германия разместили в бак с жидким аргоном, на глубине 1400 метров под горой в центре Италии.
Остаётся возможность того, что они никогда не обнаружат этот процесс, как говори Линкольн. «Но это только мнение, – говорит он. – Я бы не стал его поддерживать. Я бы не удивился, если такой эксперимент опроверг бы мою интуицию».
А пока физики исследуют другие процессы, способные объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи. В частности, они хотят найти все отличия антиматерии от материи, поскольку любое расхождение может объяснить то, почему их судьбы в ранней Вселенной оказались разными. В прошлом декабре эксперимент Alpha в ЦЕРН измерил свойства антиводорода, но не нашёл никаких неожиданных отличий от водорода. В январе эксперимент Beauty на Большом адронном коллайдере обнаружил, что при распаде частицы под названием лямбда-б барион продукты её распада разлетаются не под такими углами, как у её двойника из антиматерии.
В ближайшие десять лет Фермилаб планирует построить 1300-км подземный ускоритель частиц от Иллинойса до Южной Дакоты — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) [глубокий подземный эксперимент с нейтрино]. Цель эксперимента – запускать лучи из нейтрино и антинейтрино на большие расстояния, говорит Линкольн. Если нейтрино будут вести себя не так, как антинейтрино, это может помочь раскрыть ещё одну причину, по которой материи во Вселенной больше, чем антиматерии.
Эти поиски принесут пользу, даже если в результате ничего не найдут, говорит Грабмейр. Их цель – понять правила, по которым работает Вселенная. Если процесс, за который болеет Грабмейр, не существует, сам этот факт можно будет использовать для исключения множества предлагаемых сейчас гипотез.
Группа Грабмейера планирует наблюдать за германием и признаками радиоактивного распада ещё два года. В итоге они хотят использовать до тонны германия в своём детекторе. Больше германия – больше вероятность увидеть распад. «На каком-то этапе мы его обнаружим», – говорит Грабмейр. Но пока что они просто ждут.
