Як утворився Всесвіт, з чого складається, які принципи лежать у його основі? Відповіді на ці запитання, на переконання вчених, можна знайти, досліджуючи властивості найменших елементарних частинок – нейтрино. Ці частинки все ще залишаються найбільш загадковими, оскільки майже не взаємодіють із речовиною навколишнього світу. Більш детально «розгледіти» нейтрино допоможуть, зокрема, дослідження подвійного бета-розпаду атомних ядер, яке виконує сьогодні команда науковців Інституту ядерних досліджень НАН України. Їхній проєкт «Подвійний бета-розпад атомних ядер» переміг у конкурсі Національного фонду досліджень України «Підтримка провідних і молодих учених» і отримав фінансування в розмірі близько 6,7 мільйонів гривень, повідомляють у Фонді.
Ім’я наукового керівника проєкту Федора Даневича добре відоме як в українській, так і в світовій науковій спільноті. Група під його керівництвом досліджує нейтрино та слабку взаємодію, подвійний бета-розпад (2β-розпад) атомних ядер, шукає частинки темної матерії та інші ефекти за рамками Стандартної моделі елементарних частинок. Учений переконаний: сьогодні людство стоїть на порозі відкриття нового виду матерії.
Запитуємо науковця: «Чому ця тема важлива? Чому людству потрібно дізнатися все чи якомога більше про нейтрино?»
– Як сказав один з провідних дослідників нейтрино, професор Франческо Віссані з Інституту Гран-Сассо в Італії, «саме під час вивчення нейтрино є надія не просто уточнювати параметри існуючих теорій, а побачити щось по-справжньому нове…», – відповів Федір Анатолійович. – Дослідження 2β-розпаду допомагають з’ясувати властивості нейтрино і слабкої взаємодії, вдосконалити Стандартну модель елементарних частинок і взаємодій, неточність якої вже доведена. Якщо вдасться знайти безнейтринну моду цього розпаду – це буде грандіозне відкриття, фактично, нового виду матерії, коли елементарна частинка ферміон буде одночасно своєю античастинкою так зване нейтрино Майорани.
Науковець і його колеги займаються дослідженнями 2β-розпаду понад тридцять років і, як скромно зазначив сам Федір Анатолійович, «уже дещо зробили в цій галузі». Зокрема, виконали пошуки 2β-розпаду більше половини потенційно 2β-активних ядер (усього їх сімдесят), взяли участь у більшості вимірювань двонейтринної моди 2β-розпаду. А це, за словами вченого, «найрідкісніший процес, зареєстрований людством».
…«почути шурхіт піщинок під ногами мурахи»…
Чого ж прагнуть досягти науковці в рамках проєкту, який фінансується за кошти грантового фінансування НФДУ?
Федір Анатолійович розповів, що завдання команди, – знайти й виміряти радіоактивний розпад атомного ядра, коли з нього одночасно вилітають два електрони (нагадаємо, це і є 2β-розпад). Зробити це дуже непросто, адже в природі постійно відбувається величезна кількість радіоактивних розпадів. А ще є неперервний потік космічних променів. Усе це створює потужний фон, який ускладнює реєстрацію рідкісного процесу. «Образно кажучи, спостерегти 2β-розпад, це, як почути шелест піщинок під ногами мурахи, яка повзе біля залізничної колії, по якій проїжджає товарняк з півсотнею навантажених щебнем вагонів», – пояснив науковець.
Але «складно» не означає «неможливо»! Учені з кращих дослідницьких лабораторій світу ведуть активні пошуки безнейтринного 2β-розпаду. «Щоб зменшити вплив космічного випромінювання, дослідницьку апаратуру доводиться розміщувати у підземних лабораторіях на глибині кількох кілометрів; оточувати багатотонними екранами; виготовляти детектори зі спеціальних матеріалів; проводити ретельний аналіз даних, щоб відокремити процес 2β-розпаду від фонів різного походження», – продовжив розповідь Федір Даневич.
Коли готових приладів не існує
До речі, готових приладів для таких досліджень просто не існує, а отже, необхідно спочатку їх розробити й налагодити. Вимоги до такого обладнання – дуже жорсткі. Детектори, які здатні зареєструвати 2β-розпад, повинні мати кілька важко сумісних характеристик: містити певний ізотоп (2β-розпад якого шукають), якомога точніше вимірювати енергію електронів, розділяти близькі у часі події розпадів, відрізняти електрони від інших частинок, щоб виділити надзвичайно слабкий ефект. А також – функціонувати стабільно, адже експерименти потрібно вести роками через вкрай низьку ймовірність розпаду.
– У рамках проєкту ми шукаємо 2β-розпад кількох перспективних ядер, готуємо експериментальні методики та розробляємо методи аналізу даних для майбутніх експериментів, – зазначив пан Федір. – Значну частину роботи виконуємо завдяки міжнародній співпраці, зокрема, і у великих колабораціях CUPID та AMoRE. – Вартість таких експериментів дуже велика, і окремі лабораторії чи університети (навіть з найбагатших країн!) не можуть «потягнути» їх самотужки. До речі, під час роботи в проєкті стала в пригоді придбана за кошти грантового фінансування техніка – два ноутбуки і робоча станція, які використовуються для аналізу даних, складних розрахунків, у відрядженнях за кордоном.
У підземній лабораторії і залізній шахті
Звісно, швидких успіхів у таких масштабних дослідженнях чекати не варто, але всі результати на цьому шляху – важливі для людства. Що ж вдалося зробити науковцям під час роботи над проєктом?
Федір Даневич відповів, що зроблено чимало. Зокрема, зібрано нову установку і розпочато експеримент з пошуку 2β-розпаду ядра кадмію 106 (вимірювання триватимуть кілька років), виконано попередній експеримент CUPID-Mo з пошуку безнейтринного 2β-розпаду ядра молібдену 100, який уже дав одне з найбільш жорстких обмежень щодо маси нейтрино.
Наступний крок у дослідженнях цього ядра – великомасштабні проєкти CUPID та AMoRE. Експеримент CUPID планується провести у підземній лабораторії Гран Сассо під горою Корно-Гранде в Італії. AMoRE – у лабораторії Ємілаб, розташованій у залізній шахті у Південній Кореї. У підготовці кожного з цих великих проєктів беруть участь приблизно по сто вчених із більш як п’ятдесяти інститутів та університетів з різних країн. За планом, підготовка експерименту має зайняти три-п’ять років, а ще п’ять-десять років триватимуть самі експерименти. Науковці з Інституту ядерних досліджень НАН України також беруть участь у цих амбіційних проєктах.
На сьогодні українські вчені вже виконали ряд важливих методичних розробок для проєктів CUPID та AMoRE (власне, саме українські вчені запропонували «родзинку» обох проєктів, а саме – використання детекторів на основі кристалів молібдату літію).
У престижному журналі «Review of Modern Physics», де за роки незалежності України було опубліковано всього шість статей українських вчених, вийшов огляд про безнейтринне електронне поглинання.
Попереду – подальша розробка установки CUPID та AMoRE, дослідження 2β-розпаду ізотопів кадмію, неодиму, платини, а також чимало рутинної роботи з підготовки майбутніх, більш чутливих експериментів. Учені сподіваються, що їх терпіння, наполегливість та тривала праця наблизять науку до відповідей на найважливіші запитання щодо будови Всесвіту.
Результати роботи будуть опубліковані у фізичних журналах найвищого рівня, зокрема «Review of Modern Physics», «Physical Review Letters», «Physical Review C та D», «European Physical Journal A та C», «Applied Physics Letters» та ін.
Не шукати легких шляхів
Хто ж виконує проєкт? (І має так багато терпіння та наснаги проводити десятки дослідів, поступово звужуючи «коло пошуку»?).
– До нашої команди ввійшли неймовірні люди, які не уявляють життя без науки і входять у першу сотню кращих учених України: Володимир Третяк і Владислав Кобичев, – розповів Федір Анатолійович. – Крім того, у групі четверо талановитих молодих науковців. Це Дмитро Касперович, який вже має чималий науковий доробок і встиг захистити кандидатську дисертацію, та троє аспірантів: Микола Зарицький, Володимир Клавдієнко, Назар Сокур. Для них це можливість повністю зосередитися на науковій роботі, познайомитися з організацією наукових досліджень у кращих лабораторіях за кордоном.
Колегам, які подають свої проєкти на конкурси українських та міжнародних фондів, науковець радить не шукати легких шляхів і обирати найактуальніші теми досліджень, а ще – включатися у міжнародну співпрацю, працювати з молоддю, розвивати власну матеріально-технічну базу. І найважливіше – наполегливо працювати попри труднощі, з якими стикаються вчені в Україні.