Горизонты научного поиска

На этот раз сенсационные результаты, полученные физиками Гейдельберга и "Курчатовского института", обсуждались в Дубне.

4 декабря в Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова ОИЯИ выступил известный немецкий ученый профессор Х.Ф.Клапдор-Кляйнгротхауз из Института ядерной физики Макса Планка (Гайдельберг). Его доклад был посвящен экспериментальному статусу проблемы двойного бета-распада и, в частности, обсуждению первого свидетельства безнейтринной моды двойного бета-распада, полученного в эксперименте Гейдельберг - Москва, а также возможным перспективам развития этой важной области исследований в будущем.

Первое выступление профессора Клапдор-Кляйнгротхауза в России проходило 3 декабря на физическом факультете Московского университета. За прошедший год немецкий ученый сделал уже более 20 докладов по проблеме двойного бета-распада как в Европе (ЦЕРН, ДЕЗИ, Карлсруэ, Мюнхен, Гран-Сассо, Хельсинки, Амстердам, Оксфорд, Шефилд), так и в Америке (Денвер, Даллас, Нью-Йорк, Вашингтон, Бостон). В следующем году запланирована поездка по научным центрам Японии.

Двойной бета-распад является, пожалуй, одним из самых редких распадов атомных ядер и уже более 60 лет находится под пристальным вниманием как теоретиков, так и экспериментаторов. Безнейтринная мода этого распада представляет особый интерес, поскольку ее существование могло бы свидетельствовать о нарушении закона сохранения лептонного числа (справедливого в рамках Стандартной модели физики частиц), а также в пользу того, что нейтрино представляет собой майорановскую частицу с массой, отличной от нуля (что также выходит за рамки Стандартной модели). Кроме того, если нейтрино имеют ненулевые значения масс, то они будут давать вклад в полную невидимую массу Вселенной и играть роль так называемой горячей темной материи. Изучение безнейтринной моды двойного бета-распада также необходимо для определения структуры массовой матрицы трех (или более) поколений нейтрино. Низкоэнергетические эксперименты по исследованию безнейтринного бета-распада являются важным дополнительным источником информации о физике за рамками Стандартной модели, изучение которой становится целью экспериментов на коллайдерах нового поколения типа LHC и TESLA.

Заметное место в исследовании безнейтринной моды двойного бета-распада ядер занимает в настоящее время эксперимент Гейдельберг - Москва (H-M) немецко-российской коллаборации Института ядерной физики Макса Планка (Гейдельберг) и "Курчатовского института" (Москва). Этот эксперимент успешно идет уже более десяти лет, о чем я писал в обзоре "Новая физика... у полярного круга" ("Дубна", № 41, 2002 г.).

Интригующая часть выступления состоит в том, что уже почти год как профессор Х.Ф.Клапдор-Кляйнгротхауз с сотрудниками утверждают: они ОБНАРУЖИЛИ безнейтринный двойной бета распад германия с атомным номером 76 на основе уникальных данных, накопленных в эксперименте Гейдельберг - Москва. Это первое положительное указание на ненулевую вероятность безнейтринного двойного бета-распада. На его основе можно заключить, что лептонное число не сохраняется, нейтрино - майорановская частица (у которой частица тождественна античастице) с ненулевой массой, и для так называемой эффективной массы нейтрино получено значение в области 0,05-0,84 эВ. Хотя обнаруженный безнейтринный распад имеет уровень достоверности 2,3-3,1 стандартных отклонений, то есть его обоснованность не хуже, чем обоснованность осцилляций атмосферных нейтрино или дефицита потока нейтрино от Солнца, тем не менее, набранная статистика невелика и ее дальнейшее увеличение представляет большие трудности (еще десять лет непрерывной работы дадут увеличение точности только в 1,5 раза).

Сам факт регистрации безнейтринного бета-распада вызывает неоднозначный отклик у научной общественности. Результат подвергся весьма жесткой критике со стороны специалистов по двойному бета-распаду и спектроскопии. По существу, он был не принят этим сообществом. Вопрос фоновых условий и идентификации гамма-линий занимает центральное место во всех критических обсуждениях. Тем не менее, тщательный анализ всех без исключения критических замечаний, поиск и нахождение адекватных ответов, использование различных методик анализа и извлечения положительного сигнала (по форме импульса и т.п.), по словам Х.Ф.Клапдор-Кляйнгротхауза, все более и более убеждали авторов в их собственной правоте. Так, рассмотрение важных критических замечаний профессора И.В.Кирпичникова (ИТЭФ) после выступления докладчика в Москве, а также длительное обсуждение проблем спектроскопии изотопов германия-77 и других вопросов с профессором К.Я.Громовым и его коллегами в Дубне было очень полезно.

В настоящее время, пожалуй, проблема фона свелась к обоснованности выбора достаточно узкого интервала (пять стандартных отклонений) для определения характеристик линии с энергией 2039.005(50) кэВ от искомого распада Ge-76. Основной аргумент "против" состоит в том, что "на глаз" пик от искомого сигнала на фоне других близколежащих линий не отличить, по этой причине нельзя ограничиваться в анализе малым интервалом, но тогда сигнал уже невозможно выделить из фона. На это авторы отвечают, что спектр в области сигнала измерен с очень хорошим разрешением, природа всех линий достаточно надежно определена, и фон хорошо контролируется. Их анализ показывает, что в непосредственной близости от 2039 кэВ отсутствуют другие фоновые линии, способные привести к ошибочному заключению. Более того, методика выбора небольшого интервала для определения параметров узких адронных резонансов широко применяется в области физики высоких энергий. Неудивительно в этой связи то, что физики ЦЕРН, ДЕЗИ и других научных центров вполне нормально и с большим интересом воспринимали информацию из Гейдельберга.

Ситуация осложняется еще и тем, что, по всей видимости, никакой другой из ныне действующих экспериментов по поиску безнейтринной моды двойного бета-распада не может подтвердить или надежно опровергнуть результат эксперимента H-M. За исключением, быть может, недавно начавшего набор данных эксперимента NEMO-3, задача которого - обнаружение безнейтринного двойного распада изотопов молибдена и др. Как это ни покажется странным, для NEMO-3 полученные из эксперимента H-M значения нейтринных масс (на уровне 0,3-0,5 эВ), являются очень выгодными. Поскольку именно при таких значениях масс нейтрино эксперимент NEMO-3 еще будет в состоянии зарегистрировать безнейтринный двойной бета-распад.

Это наблюдение лишь подтверждает ту мысль, что эра небольших "настольных" экспериментов прошла и перспектива - за новыми низкофоновыми детекторами с максимальной массой детектирующего материала. Скорее всего, только с помощью предложенной в группе профессора Клапдор-Кляйнгротхауза модифицированной германиевой установки с рекордно низким уровнем фона, можно будет действительно проверить этот результат и получить более точное значение массы нейтрино. При этом нет необходимости в новых технологических исследованиях. Надо только решиться и выделить достаточное пространство в одной из подземных низкофоновых лабораторий (например, Гран-Сассо в Италии или Баксан в России) и произвести дополнительно 50-100 кг обогащенного германия. В таком случае за 3-5 лет непрерывной работы будут получены данные, которые позволят статистически обоснованно опровергнуть или подтвердить имеющееся в настоящее время свидетельство безнейтринной моды двойного бета распада.

Несомненно, важность положительного решения этой задачи трудно переоценить, поскольку природа нейтрино играет ключевую роль в ядерной физике, физике элементарных частиц, астрофизике и космологии.

В. Бедняков, ученый секретарь ЛЯП