Для пошуку надзвичайно рідкісних процесів, які обіцяють гігантський прорив у нашому розумінні сучасної фізики, вчені використовують не тільки найсучасніші детектори, а й продукти технології двохтисячолітньої давності.
Капітан великого римського вітрильного торгового судна, ймовірно, був вельми роздратований, коли кинув якір всього лише в якій-небудь милі від берегів Сардинії. Судно було завантажене видобутим у шахтах Картахени свинцем, що призначався для виготовлення амуніції (снарядів для пращів). Але, судячи з відомостей, які отримав капітан, шанси доставити вантаж одержувачу з кожною хвилиною ставали все більш примарними: повстанці контролювали найближчі порти (і навіть, можливо, захопили кілька військових кораблів, тож втеча ставала безглуздою). Зрештою почуття обов "язку (а також страх перед римською армією) пересилило, і капітан віддав наказ. Знизу почулися удари сокир, судно накренилося і стало повільно тонути, в той час як матроси пострибали у воду і вже пливли до берега. Головне - важливий стратегічний вантаж не дістався ворогу.
Бета-розпад обумовлений слабкою взаємодією і змінює заряд ядра на одиницю без зміни масового числа - з випромінюванням бета-частинки (електрона або позитрона) і електронного антинейтрино або нейтрино відповідно. При подвійному бета-розпаді випромінюється дві бета-частинки і два антинейтрино (або нейтрино). Подвійний безнейтринний бета-розпад може існувати, тільки якщо нейтрино є майоранівською частинкою (нейтрино тотожне антинейтрино).
Стародавній скарб
Свинцеві злитки пролежали на дні Тірренського моря всього в півтори милях від Орістано 2000 років, поки в 1988 році їх не виявили місцеві дайвери. Знахідка зацікавила італійське Управління археологічного нагляду Кальярі, її ретельно відзначили на картах, але піднімати не поспішали. Причина була досить банальною: для підйому майже тисячі свинцевих злитків, кожен вагою 33 кг, було потрібно чимало коштів, яких у бюджеті управління не було. Допомога прийшла з несподіваного боку: газета з заміткою про знахідку випадково попалася на очі Етторе Фіоріні, фізику з Міланського університету Бікокка. Виявилося, що римський свинець дуже потрібен фізикам. Потрібен настільки, що італійський Національний інститут ядерної фізики (INFN) запропонував оплатити операцію з підйому вантажу із затонулого римського судна в обмін на «частку скарбу» в натуральному вигляді. Археологи та історики, скріплячи серце і скриплячи зубами, погодилися, і в 1991 півтори сотні злитків були передані італійським фізикам, які виготовили з них свинцеві екрани для детекторів, встановлених в підземній лабораторії Гран-Сассо в Італії.
В основі детекторів колаборації CUORE лежать болометри, за допомогою яких намагаються виявити розпад телура-130. 988 кристалів діоксиду телуру одночасно служать і болометрами, і потенційними джерелами подвійного безнейтринного бета-розпаду. Вони зібрані в 19 колонок і охолоджені до температури в 10 мК, при якій їх тепломісткість настільки мала, що навіть попадання окремої частинки викликає підвищення температури, що виявляється за допомогою термісторів. За величиною цього підвищення можна вирахувати енергію частинки, що потрапила, а в разі подвійного безнейтринного бета-розпаду в енергетичному спектрі буде спостерігатися пік в 2527 кЕв.
«Витриманий» метал
Навіщо ж робота римських металургів знадобилася сучасним фізикам? Справа в тому, що свіжовиплавлений з руди свинець містить невеликі домішки нестабільних елементів. В основному це ізотоп свинець-210, що зазнає бета-розпаду з періодом напіврозпаду 22,3 року. На якості амуніції для пращів це, звичайно, ніяк не позначається, як і для величезної кількості сучасних застосувань, а ось для фізиків має принципове значення. Свинець використовується як матеріал для екранування надвисокочутливих детекторів у багатьох експериментах з виявлення різних частинок. Оскільки недавно здобутий свинець зберігає слабку природну радіоактивність, він служить джерелом перешкод і, за словами Етторе Фіоріні, не підходить для подібних завдань. Зазвичай у таких випадках використовують особливий свинець, збіднений 210-м ізотопом, але його ціна дуже висока. Тому римські злитки, в яких за 2000 років розпалася б? більша частина свинцю-210, виявилися вельми до речі. Дослідження, проведені фізиками з INFN, показали, що рівень залишкової радіоактивності стародавнього свинцю становить всього лише 4 мБк/кг, що в 100 000 разів менше, ніж у «новоділа», і в 100 разів менше, ніж у спеціального, збідненого 210-м ізотопом металу. Тому для експерименту колаборації CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) INFN у 2010 році використовував додаткові 120 злитків, щоб створити для детекторів, розташованих глибоко під землею, тристантиметрову свинцеву броню, екрануючу сторонні випромінювання. В експериментах CUORE (і ряду інших колаборацій) вчені сподіваються знайти новий тип радіоактивності, передбачений три чверті століття тому, - подвійний безнейтринний розпад. Це відкриття може стати досягненням такого ж масштабу, як і довгоочікуваний вилов бозона Хіггса.
З нейтрино і без
Наприкінці XIX століття була відкрита бета-радіоактивність атомних ядер, при якій заряд ядра змінюється на одиницю, а його маса практично зберігається. У природних ізотопів спостерігається тільки електронний бета-розпад, при якому один з нейтронів ядра перетворюється на протон з випусканням електрону та електронного антинейтрино (у штучних буває і позитронний). У 1935 році майбутній лауреат Нобелівської премії Марія Гепперт-Майєр теоретично довела, що можливий бета-розпад з виникненням двох електронів і двох антинейтрино. Її прогноз підтвердили в 1987 році фізики з Каліфорнійського університету в Ірвайні, які виявили перетворення селену-82 на криптон. Настільки довгі пошуки подвійного бета-розпаду пояснюються винятковою стабільністю нуклідів, у яких він спостерігається. Всі вони (а їх всього 11) мають період напіврозпаду близько 10 в 20 ступеня років, що в мільярди разів більше віку Всесвіту.
А тепер експериментатори шукають ще один різновид подвійного бета-розпаду, передбачений 1939 року американським фізиком-теоретиком Уенделлом Фаррі. Він виходив з теорії, запропонованої італійцем Джуліо Рака, яка базувалася на дуже красивій гіпотезі Етторе Майорани (обидва вони були учнями Енріко Фермі). Вона дозволяє існування частинок з напівцілим спином (ферміонів), які є своїми власними античастинками.
"