Зачем современным физикам древнеримские свинцовые слитки?

      Комментарии к записи Зачем современным физикам древнеримские свинцовые слитки? отключены

Зачем современным физикам древнеримские свинцовые слитки?

Капитан громадного римского парусного торгового судна, возможно, был очень раздосадован, в то время, когда кинул якорь всего лишь в какой-нибудь миле от берегов Сардинии. Судно было загружено добытым в шахтах Картахены свинцом, предназначавшимся для того чтобы (снарядов для пращей).

Но, если судить по сведениям, каковые взял капитан, шансы доставить груз получателю с каждой минутой становились все более призрачными: партизаны осуществляли контроль ближайшие порты (а также, быть может, захватили пара боевых судов, так что бегство становилось тщетным). В итоге чувство долга (и и ужас перед римской армией) пересилило, и капитан отдал приказ.

Снизу послышались удары топоров, судно накренилось и стало медлительно тонуть, тогда как матросы попрыгали в воду и уже плыли к берегу. Основное — серьёзный стратегический груз не достался неприятелю.

Старый клад

Свинцовые слитки пролежали на дне Тирренского моря всего в полутора милях от Ористано 2000 лет, пока во второй половине 80-ых годов двадцатого века их не нашли местные дайверы. Находка заинтересовала итальянское Управление археологического надзора Кальяри, ее шепетильно отметили на картах, но поднимать не торопились. Обстоятельство была достаточно очевидной: для подъема практически тысячи свинцовых слитков, любой весом 33 кг, требовалось много средств, которых в бюджете управления не было.

Помощь пришла с неожиданной стороны: газета с заметкой о находке случайно попалась на глаза Этторе Фиорини, физику из Миланского университета Бикокка. Оказалось, что римский свинец весьма нужен физикам. Нужен так, что итальянский Национальный университет ядерной физики (INFN) внес предложение оплатить операцию по подъему груза с затонувшего римского судна в обмен на «долю клада» в натуральном виде.

историки и Археологи, скрепя сердце и скрипя зубами, дали согласие, и в 1991 полторы много слитков были переданы итальянским физикам, каковые изготовили из них свинцовые экраны для детекторов, установленных в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии.

«Выдержанный» металл

Для чего же работа римских металлургов пригодилась современным физикам? Дело в том, что свежевыплавленный из руды свинец содержит маленькие примеси нестабильных элементов. По большей части это изотоп свинец-210, претерпевающий бета-распад с периодом полураспада 22,3 года. На качестве амуниции для пращей это, само собой разумеется, никак не отражается, как и для огромного количества современных применений, а вот для физиков имеет принципиальное значение.

Свинец употребляется как материал для экранирования сверхвысокочувствительных детекторов во многих опытах по обнаружению разных частиц. Потому, что сравнительно не так давно добытый свинец сохраняет не сильный природную радиоактивность, он является источником помех и, по словам Этторе Фиорини, не подходит для аналогичных задач. В большинстве случаев в таких случаях применяют особенный свинец, обедненный 210-м изотопом, но его цена довольно большая.

Исходя из этого римские слитки, в которых за 2000 лет распалась б? льшая часть свинца-210, были очень кстати. Изучения, совершённые физиками из INFN, продемонстрировали, что уровень остаточной радиоактивности старого свинца образовывает всего лишь 4 мБк/кг, что в 100 000 раз меньше, чем у «новодела», и в 100 раз меньше, чем у особого, обедненного 210-м изотопом металла.

Исходя из этого для опыта коллаборации CUORE (Cryogenic Underground Observatory for Rare Events) INFN в 2010 году применял дополнительные 120 слитков, дабы создать для детекторов, расположенных глубоко под почвой, трехсантиметровую свинцовую броню, экранирующую посторонние излучения. В опытах CUORE (и последовательности вторых коллабораций) ученые сохраняют надежду отыскать новый тип радиоактивности, предсказанный три четверти века назад, — двойной безнейтринный распад.

Это открытие может стать достижением для того чтобы же масштаба, как и долгожданный отлов бозона Хиггса.

    В базе детекторов коллаборации CUORE лежат болометры, благодаря которым пробуют найти распад теллура-130. 988 кристаллов диоксида теллура в один момент помогают и болометрами, и потенциальными источниками двойного безнейтринного бета-распада.

Они собраны в 19 колонок и охлаждены до температуры в 10 мК, при которой их теплоемкость столь мелка, что кроме того попадание отдельной частицы приводит к повышению температуры, обнаруживаемое посредством термисторов. По величине этого увеличения возможно вычислить энергию попавшей частицы, а при двойного безнейтринного бета-распада в энергетическом спектре будет наблюдаться пик в 2527 кэВ.

С нейтрино и без

В конце XIX века была открыта бета-радиоактивность ядер атома, при которой заряд ядра изменяется на единицу, а его масса фактически сохраняется. У природных изотопов отмечается лишь электронный бета-распад, при котором один из нейтронов ядра преобразовывается в протон с испусканием электрона и электронного антинейтрино (у неестественных бывает и позитронный).

В 1935 году будущий лауреат Нобелевской премии Мария Гёпперт-Майер теоретически доказала, что вероятен бета-распад с происхождением двух электронов и двух антинейтрино. Ее прогноз подтвердили во второй половине 80-ых годов XX века физики из Калифорнийского университета в Ирвайне, каковые нашли превращение селена-82 в криптон. Столь продолжительные поиски двойного бета-распада разъясняются необыкновенной стабильностью нуклидов, у которых он отмечается.

Все они (а их всего 11) имеют период полураспада порядка 10 в 20 степени лет, что в миллиарды раза больше возраста Вселенной.

А сейчас экспериментаторы ищут еще одну разновидность двойного бета-распада, предсказанную во второй половине 30-ых годов двадцатого века американским физиком-теоретиком Уэнделлом Фарри. Он исходил из теории, предложенной итальянцем Джулио Рака, которая базировалась на весьма прекрасной догадке Этторе Майораны (оба они были учениками Энрико Ферми). Она разрешает существование частиц с полуцелым поясницей (фермионов), каковые являются собственными античастицами.

    Фото Бета-распад обусловлен не сильный сотрудничеством и изменяет заряд ядра на единицу без трансформации массового числа — с излучением бета-частицы (электрона либо позитрона) и электронного антинейтрино либо нейтрино соответственно. При двойном бета-распаде излучается две бета-частицы и два антинейтрино (либо нейтрино). Двойной безнейтринный бета-распад существует, лишь в случае если нейтрино есть майорановской частицей (нейтрино тождественно антинейтрино).

Майорана допускал, что такими частицами смогут быть позитроны и электроны, но Рака продемонстрировал, что в эту модель вписывается лишь нейтрино. Фарри заключил , что в этом случае один из нейтронов, задействованных в двойном бета-распаде, может поглотить антинейтрино, испущенное вторым нейтроном. В следствии оба нейтрона превратятся в протоны, но за пределы ядра вылетят одни электроны.

Таковой процесс именуется двойным безнейтринным бета-распадом.

Загадки Вселенной

Настоящий интерес к теории Фарри появился в середине 1980-х, в то время, когда физики действительно задумались о выходе за рамки Стандартной модели (СМ). В этом замысле двойной безнейтринный бета-распад сулит большое количество увлекательного. Во-первых, он нарушает принцип сохранения лептонного числа — один из краеугольных камней СМ. И в простом, и в двойном бета-распаде в один момент появляются и лептоны, и антилептоны — электроны и антинейтрино.

Рождение электрона изменяет лептонное число на единицу, рождение антинейтрино — на минус единицу, так что сумма остается неизменной. А бета-распад по Фарри увеличивает лептонное число на две единицы, что очевидно противоречит СМ. Считается, что отечественная Вселенная по окончании Громадного взрыва была заполнена как веществом, так и антивеществом, а к настоящему времени сохранила первое, но начисто лишилась второго.

Одна из самые убедительных теорий, растолковывающих исчезновение антивещества, основана на догадке несохранения лептонного числа. Исходя из этого наблюдение двойного безнейтринного бета-распада может раскрыть одну из основных тайных отечественного мира.

Оно сулит и дополнительный приз. Подобные распады вероятны только при ненулевой массе нейтрино, причем их возможность тем выше, чем эта масса больше. В случае если их найдут, эту массу возможно будет измерить напрямую, чего до тех пор пока никто делать не может.

Как отыскать двойной распад

В принципе, эту задачу решить несложно. Вылетевшие при распаде частицы приобретают энергию за счет отличия между весами спокойствия начального и конечного ядер. При отсутствии нейтрино вся энергия приходится на электроны.

Следовательно, необходимо искать такие двойные бета-распады, где суммарная энергия пары электронов в точности равна данной разнице. Но на практике для этого необходимы высокочувствительные детекторы, талантливые весьма совершенно верно регистрировать треки электронов, испущенных при двойном бета-распаде. Для подавления радиоактивного и теплового фона их необходимо поместить глубоко под почвой, окружить многослойными экранами и очень сильно охладить.

Физики ищут двойной безнейтринный бета-распад больше двадцати лет. В 2001 году германские ученые кроме того заявили о его регистрации, но их результаты подверглись важной критике и остались неподтвержденными. Так что опыты длятся.

Глубоко под почвой

    Фото Цилиндрическая время-проекционная камера, на протяжении оси которой приложено электрическое поле, заполнена ксеноном-136. При его ионизации заряженными частицами выбитые электроны дрейфуют в электрическом поле и улавливаются сеткой. Фотоны при сцинтилляции обнаруживаются фотодетекторами (лавинными фотодиодами).

Запаздывание электронного сигнала на сетке довольно светового позволяет вернуть трек, а по интенсивности возможно делать выводы об энергии заряженных частиц. Детектор интернациональной коллаборации EXO-200 установлен на глубине 665 м в бывшей соляной шахте около Карлсбада в штате Нью-Мексико. Это цилиндрическая камера высотой 40 и диаметром 44 см, заполненная жидким ксеноном-136, ядра которого нестабильны довольно двойного бета-распада.

Прибор собрали в сверхчистых условиях в Стэнфордском университете и в 2007 году доставили на место назначения. Дабы максимально снизить загрязнение космическими частицами и избавиться от вибраций, контейнер с прибором транспортировали не самолетом, а на грузовике с мягкой подвеской, что без остановок вели двое водителей.

    В опыте EXO-200 (Enriched Xenon Observatory) употребляется 200 кг жидкого ксенона, на 80% обогащенного изотопом 136. Ксенон-136 подвержен двойному бета-распаду (простому) с периодом полураспада порядка 2 x 1021 лет и (возможно) двойному безнейтринному бета-распаду с периодом полураспада 1,6·10 в 25 степени лет.

В июне несколько EXO-200 опубликовала отчет о наблюдениях за два года.

Ученые пока не нашли ядер ксенона, испускавших одни электроны, но заключили , что с 90%-ной возможностью время их жизни превышает 1,1 х 10 в 25 степени лет. Эти результаты свидетельствуют, что масса электронного антинейтрино не превышает 0,2−04 эВ (само собой разумеется, эта оценка верна, только если оно есть майорановской частицей).

на данный момент уже ясно, что, в случае если двойной безнейтринный бета-распад существует, он случается неизмеримо реже простого двойного распада (не смотря на то, что Фарри полагал, что дело обстоит именно напротив!). Члены коллаборации собираются обновить электронные совокупности детектора и возобновить опыт. Они кроме этого конструируют еще более чувствительный прибор, что рассчитывают разместить в шахте еще глубже.

Помощь из прошлого

Римские металлурги, само собой разумеется, не подозревали, что за плодами их работы будут охотиться не только археологи, но и физики всей земли. Свинец, добытый в испанской Картахене и пролежавший 2000 лет на дне Тирренского моря вблизи Сардинии, был весьма кстати для применения в самых современных научных опытах, целью которых есть поиск некоторых очень редких явлений, талантливых (при их обнаружения) существенно обогатить знания человечества о фундаментальных базах отечественного мира.

Статья «Игры с малыми шансами» размещена в издании «Популярная механика» (№145, ноябрь 2014).

☢ Продам (кто хочет купить) чистый мягкий СВИНЕЦ (кабельный). Для изготовления пуль, дроби, грузиков


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: