Благодаря совместной работе ученых НИТУ «МИСиС» и сотрудников ОАО «Фомос-Материалс» удалось на порядок улучшить самые чувствительные на данный момент датчики чрезвычайно редких событий. Датчики созданы, чтобы подтвердить существование одной из самых неуловимых частиц — нейтрино, с последующими возможностями измерения её массы. Сейчас считается, что массу она имеет, и то это показано по косвенным данным. А вот какую — пока непонятно. Есть только верхние оценки. Также с помощью новых датчиков можно доказать, что нейтрино — сам себе античастица. Если данное утверждение окажется правдой, оно серьезно приблизит ученых к пониманию несоответствий между физическими теориями о строении нашей Вселенной и реальности, а также к созданию Единой теории поля (так называемой «Теории всего»). Можно сказать, что по значимости данное открытие будет даже покруче, чем поиски всем известного Бозона Хиггса.
Событие, за которым гоняются физики по всему миру, и которое экспериментально может доказать, что нейтрино — сам себе античастица, называется «двойной безнейтринный бета-распад». Стандартный (одиночный) бета-распад состоит в том, что один из нейтронов, составляющих ядро какого-то атома, излучает электрон и антинейтрино и превращается в протон. Или, наоборот, один из протонов превращается в нейтрон, при этом испуская позитрон и нейтрино. В любом случае, при бета-распаде заряд ядра меняется на единицу. Но среди радиоактивных изотопов существует одиннадцать, которые ни по одному из этих двух механизмов распадаться не могут. Им энергетически невыгодно проходить последовательно через два бета-распада, зато ничто не мешает изменить заряд ядра сразу на две единицы. Правда, вероятность такого события очень маленькая. Периоды полураспада у этих изотопов начинаются с 1018 лет.
Тем не менее, двойной бета-распад зафиксировать можно, и он фиксируется. Но существует ещё более редкое событие — тот самый двойной безнейтринный бета-распад, в котором нейтрино не выделяется. Вероятность такого события как минимум ещё на
Чтобы зафиксировать столь редкие события, ученым пришлось долго подбирать материалы для детекторов и условия для сбора данных. Попытки поймать редчайшее событие предпринимались международными коллаборациями, такими какNEMO—NeutrinoEttoreMajoranaObservatory или MOON — MoObservatoryOfNeutrinos. Обе коллаборации продолжают совершенствовать свои установки, потому что пока зафиксировать искомое событие ни той, ни другой не удалось — чувствительности их детекторов не хватает. Зато в рамках обеих коллабораций ученые смогли подобрать наиболее подходящий изотоп, при помощи которого вероятнее всего можно зафиксировать двойной безнейтринный бетараспад. Этот изотоп молибдена — молибден-100, у которого самая высокая энергия такого распада (и, соответственно, вероятность зафиксировать его самая большая). И теперь в Южной Корее строится детектор с датчиками из соединений молибдена. Проект реализуется в рамках коллаборации AMoRE — AdvancedMobasedRareprocessExperiment). Международная коллаборация AMoRE объединяет 90 ученых, представляющих 16 институтов в семи странах, в том числе и в России.
Самым подходящим веществом для нового типа датчиков, по мнению ученых коллаборации, стал молибдат кальция. Он содержит и распадающийся изотоп, и атомы, которые могут поймать вылетевшие при таком распаде электроны и перевести их энергию в люминесценцию (свечение), которую уже смогут зафиксировать приборы. То есть, источник излучения и детектор в одном кристалле. Причем, в этом соединении все изотопы подобраны так, чтобы ничего кроме молибдена больше не распадалось. Например, кальций в нем представлен только изотопом кальций-40, который получается как отход при выделении радиоактивного изотопа кальция Ca-48.
У экспериментальной установки, которая строится на основе датчиков из кристаллов молибдата кальция, такая чувствительность, что она должна зафиксировать событие в веществе с периодом полураспада 1026 лет. Но даже такой чувствительности может не хватить, поэтому российские ученые повысили её ещё в 76 раз, убрав дефекты, образующиеся при росте кристалла.
«Выращенные кристаллы молибдата кальция содержат два основных типа дефектов, — рассказывает руководитель работы, заведующий межкафедральной учебно-испытательной лабораторией «Полупроводниковых материалов и диэлектриков „Монокристаллы и заготовки на их основе“ Нина Козлова. — Во-первых, недостаток молибдена. При полутора тысячах градусах, при которых растет кристалл, из смеси слишком сильно улетучивается трехокись молибдена. Во-вторых, недостаток кислорода. Визуально сочетание обоих типов дефектов даёт синюю окраску кристалла. Мы выяснили, что первый можно компенсировать повышенным содержанием триоксида молибдена в изначальной смеси веществ, из которых растет кристалл, а второй — тысячью часами отжига полученного кристалла в кислородной среде при температуре выше тысячи градусов Цельсия».
Еще одним достижением ученых НИТУ «МИСиС» стало детальное изучение явления дихроизма в кристаллах молибдата кальция. Это явление визуально проявляется в том, что степень пропускания света сквозь вещество в разных направлениях различна. Важность работы состояла в данном случае в рекомендациях по правильной ориентации кристаллов в датчике, чтобы обеспечить максимальную проходимость света.
Как отметили авторы работы, новая технология изготовления датчиков позволяет за пять лет эксперимента поймать событие, вероятность которого чрезвычайно низка. Даже если период полураспада молибдена-100 по механизму двойного безнейтринного бета-распада составляет 1027 лет, теперь ученые смогут его поймать.
Результат работы опубликован в журналах Modern Electronic Materials и «Кристаллография», 2018, том 63, № 2, с.
