Древноримско олово за физиците

За търсене на изключително редки процеси, обещаващи гигантски пробив в нашето разбиране за съвременна физика, учените използват не само най-съвременни детектори, но и продукти с давност две хиляди години.

Капитанът на голям римски ветроходен кораб вероятно е бил доста ядосан, когато е хвърлил котва само на около миля от бреговете на Сардиния. Корабът бил натоварен с добито в мините на Картахена олово, предназначено за изготвяне на амуниции.

Но съдейки по сведения, получени от капитана, шансовете да доставят товара на получателя с всяка минута ставали все по-прозаични – бунтовници контролирали близките пристанища (и дори вероятно пленили няколко военни кораба, така че бягството изглеждало безсмислено).

В края на краищата чувството за дълг (както и страхът пред римската армия) надделяло и капитанът издал заповед. Долу се чули удари от брадви и корабът бавно започнал да потъва, а моряците скочили във водата и заплували към брега. Най-важното било, че стратегическият товар не попаднал в ръцете на врага.

Древният принос

Оловните слитъци пролежали 2000 години на дъното на Тиренско море, само на миля и половина от Ористано, докато през 1988 година не ги намерили местни гмуркачи.

Находката заинтересувала италианското Управление за археологичен надзор в Каляри, тя била прилежно отбелязана на картите, но не бързали да я вадят. Причината била доста банална – за повдигането на почти хиляда оловни слитъка, всеки с тегло 33 кг, се изисквали доста средства, с които бюджетът на управлението не разполагал.

Помощ дошла от неочаквано място – вестник с дописка за находката случайно попаднал пред очите на Еторе Фиорини, физик от Миланския университет „Бикока“. Оказало се, че римското олово е много необходимо на физиците.

Толкова необходимо, че италианският Национален институт за ядрена физика (INFN) предложил да плати операцията по изваждане на товара от потъналия римски кораб в замяна на част от него в натурален вид.

Археолозите и историците, държейки се за сърцето и скърцайки със зъби, се съгласили и през 1991 година сто и петдесет слитъка били предадени на италианските физици, които изработили от тях оловни екрани за детекторите на подземната лаборатория Гран Сасо в Италия.

„Възрастният“ метал

Защо работата на римските металурзи е била необходима на съвременните физици? Работата е там, че прясно извлеченото от рудата олово съдържа малки примеси нестабилни елементи. Основно това са изотопът олово-210, търпящ бета-разпад с период на полуразпад 22,3 години.

Това, разбира се не се отразява по никакъв начин върху качеството на амунициите за прашките, както и върху огромен брой съвременни приложения, но за физиците има принципно значение.

Оловото се използва като материал за екраниране на свръхвисокочувствителни детектори в много експерименти по откриване на различни частици. Тъй като наскоро добитото олово съхранява слаба природна радиоактивност, то служи като източник на смущения и според Еторе Фиорини не е подходящо за подобни задачи.

Обикновено в такива случаи се използва специално олово, бедно на изотоп 210, но неговата цена е много висока. Затова римските слитъци, в които за 2000 години се е разпаднала голяма част от олово-210, се оказали тъкмо на място.

Изследвания, проведени от физици от INFN, показали, че нивото на остатъчна радиоактивност на древното олово е 100 000 пъти по-малка от новоизваденото, и 100 пъти по-малка от тази на специалното. Затова колаборацията CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) на INFN използвала през 2010 г. допълнителни 120 слитъка, за да създаде за детекторите, разположени дълбоко под земята, трисантиметрова оловна броня, екранираща страничните лъчения.

В експериментите на CUORE (и редица други колаборации) учените се надяват да открият нов тип радиоактивност – двоен безнеутринен разпад. Това откритие може да стане постижение от такъв мащаб, както и дългочаканото улавяне на частицата на Хигс.

Със и без неутрино

В края на XIX век била открита бета-радиоактивност на атомните ядра, при която зарядът на ядрото се променя с единица, а масата му практически се съхранява. У природните изотопи се наблюдава само електронен бета-разпад, при който един от неутроните на ядрото се превръща в протон с изпускане на електрон и електронно антинеутрино.

През 1935 г. бъдещият Нобелов лауреат Мария Гьоперт-Майер теоретично доказва, че е възможен бета-разпад с възникването на два електрона и две антинеутрино. Нейната прогноза се потвърждава през 1987 година от физиците от Калифорнийския университет в Ървайн, които открили превръщането на селен-82 в криптон.

Толкова продължително търсене на двоен бета-разпад се обяснява с изключителната стабилност на нуклидите, у които той се наблюдава. Всички те (общо са 11) имат период на полуразпад от порядъка на 10²⁰ години, което е милиарди пъти повече от възрастта на Вселената.

А сега експериментаторите търсят още една разновидност на двойния бета-разпад, предсказана през 1939 година от американския физик-теоретик Уендъл Фъри.

Той изхождал от теорията, предложена от италианеца Джулио Рака, която се базирала на много красивата хипотеза на Еторе Майорана (двамата били ученици на Енрико Ферми). Тя допуска съществуването на частици с полуцял спин (фермиони), които се явяват свои собствени античастици.

Майорана допускал, че такива частици могат да бъдат електрони и позитрони, но Рака установил, че в този модел се вписва само неутриното.

Фъри стигнал до извода, че в този случай един от неутроните, задействани в двойния бета-разпад, може да погълне антинеутриното, изпуснато от другия неутрон. В резултат двата неутрона се превръщат в протони, но извън ядрото излитат само електрони. Такъв процес се нарича двоен безнеутринен бета-разпад.

Загадките на Вселената

Реалният интерес към теорията на Фъри възниква в средата на 80-те години, когато физиците сериозно се замислили за излизането извън рамките на Стандартния модел. В този план двойният безнеутринов бета-разпад вещае много интересни неща. Първо, той нарушава принципа за съхранение на лептонното число – един от крайъгълните камъни на Стандартния модел.

И в обикновения, и в двойния бета-разпад едновременно възникват и лептони, и антилептони – електрони и антинеутрино. Раждането на електрона изменя лептонното число с единица, раждането на антинеутрино – с минус единица, така че сумата остава неизменна.

А бета-разпадът по Фъри увеличава лептонното число с две единици, което явно противоречи на Стандартния модел. Смята се, че нашата Вселена след Големия взрив е била запълнена както с вещество, така и с антивещество, а в настояще време е съхранила първото, но се е лишила от второто.

Една от най-убедителните теории, обясняващи изчезването на антивеществото, се основава на хипотезата за несъхранение на лептонното число. Затова наблюдението на двойния безнеутринен бета-разпад може да разкрие една от главните загадки на нашия свят.

То обещава и допълнителна награда. Подобни разпади са възможни само при ненулева маса на неутриното, при това вероятността е толкова по-висока, колкото е по-голяма тази маса. Ако ги открият, тази маса ще може да се измери непряко, което засега още никой не умее да прави.

Как да открием двойния разпад

Принципно не е сложно да се реши тази задача. Излетелите при разпада частици получават енергия от разликата между масите на покой на началното и крайното ядро. При липса на неутрино цялата енергия се пада на електроните.

Следователно е необходимо да търсим такива двойни бета-разпади, където сумарната енергия на двойката електрони е точно равна на тази разлика.

Но на практика за това са необходими високочувствителни детектори, способни много точно да регистрират следите на електроните, изпуснати при двойния бета-разпад. За потискане на радиоактивния и топлинния фон е необходимо те да се поставят дълбоко под земята, да се защитят от многослойни екрани и силно да се охладят.

Физиците търсят двойния безнеутринен бета-разпад повече от двадесет години. През 2001 г. немски учени дори заявиха за неговата регистрация, но техните резултати бяха подложени на сериозна критика и останаха непотвърдени. Така че експериментите продължават.

Дълбоко под земята

Детекторът на международната колаборация EXO-200 се намира на дълбочина 665 м в бивша соларна шахта до Карлсбад, щата Ню Мексико. Това е цилиндрична камера с диаметър 40 и височина 44 см, запълнена с течен ксенон-136, чиито ядра са нестабилни спрямо двойния бета-разпад.

Уредът е сглобен в свръхчисти условия в Станфордския университет и през 2007 година е доставен на място. За да се снижат максимално замърсените космически частици и да се премахне вибрацията, контейнерът с уреда е транспортиран не със самолет, а с товарен камион с меко окачване, който без спиране бил шофиран от двама души.

През юни групата EXO-200 публикува отчет за наблюденията за две години. Учените още не са открили ксенонови ядра, изпускащи електрони, но са стигнали до извода, че с 90-процентова вероятност времето на живота им превишава 1,1 х 10²⁵ години.

Тези резултати свидетелстват, че масата на електронното антинеутрино не превишава 0,2−04 електронволта (тази оценка е вярна само ако то се явява Майоранова частица).

Сега вече е ясно, че ако двойният безнеутринен бета-разпад съществува, той се случва несравнимо по-рядко от обичайния двоен разпад (макар че Фъри смятал, че е точно обратното).

Членовете на колаборацията планират да обновят електронните системи на детектора и да възобновят експеримента. Освен това те конструират още по-чувствителен уред, който ще бъде поставен още по-дълбоко.

Помощ от миналото

Римските металурзи, разбира се, не са подозирали, че плодовете на техния труд ще бъдат ценни не само за археолозите, но и за физиците от цял свят.

Оловото, добито в испанската Картахена и престояло на дъното на Тиренско море близо до Сардиния, се оказало незаменимо за използване в най-съвременните научни експерименти, чиято цел е търсенето на някои изключително редки явления, способни (в случай на откриването им) значително да обогатят знанията на човечеството за фундаменталните основи на нашия свят.