Окончательный отчет об эксперименте был опубликован в Письма с физическим обзором в феврале.

Нейтрино - субатомные частицы, похожие на электрон, но не обладающие электрическим зарядом, - являются вторыми по распространенности частицами во Вселенной после света. Однако они являются одними из самых сложных частиц для измерения, потому что они не взаимодействуют так, как это делают другие частицы.

"Нейтрино оказывают глубокое влияние на Вселенную и физику во всех мыслимых масштабах, удивляя нас на уровне взаимодействия частиц и оказывая широкое влияние в космических масштабах", - сказал Уолтер Петтус, доцент физики в Колледже искусств и наук IU. "Но изучать их также труднее всего, потому что мы так много знаем о них, но у нас так много пробелов".

Демонстратор Majorana, созданный в сотрудничестве с 60 исследователями из 24 институтов, был разработан для того, чтобы заполнить многие из этих пробелов одновременно, исследуя наиболее фундаментальные свойства нейтрино.

Один из аспектов, который они надеялись наблюдать, заключался в том, может ли нейтрино быть своей собственной античастицей - субатомной частицей той же массы, но с противоположным электрическим зарядом. Поскольку нейтрино незаряжено, это единственная частица во Вселенной, которая могла бы быть своей собственной античастицей. Понимание этого дало бы представление о том, почему нейтрино в первую очередь обладает массой - информация, которая оказала бы широкое влияние на понимание того, как образовалась Вселенная.

Чтобы определить, является ли нейтрино своей собственной античастицей, исследователям нужно было наблюдать редкое явление, называемое двойным бета-распадом без нейтрино. Однако этот процесс занимает у одного атома не менее 10²⁶ лет - значительно больше, чем возраст Вселенной. Вместо этого они решили понаблюдать почти за 10²⁶ атомы в течение шести лет.

Чтобы наблюдать этот невероятно редкий распад, исследователям требовались идеальные условия. В подземном исследовательском центре Сэнфорда в Блэк-Хиллз, Южная Дакота, расположенном в миле под землей, они создали одно из самых чистых и тихих мест на Земле. Чрезвычайно чувствительные детекторы были изготовлены из германия высокой чистоты и упакованы в 50-тонный свинцовый экран, окруженный материалами беспрецедентной чистоты. Даже используемая медь была выращена под землей в их лаборатории с таким низким уровнем примесей, что его невозможно было измерить.

Петтус и команда студентов IU отвечали в первую очередь за анализ данных эксперимента. В проекте приняли участие аспирант Нафис Фуад, старшекурсник Айзек Бейкер, второкурсница Эбби Кикбуш и Дженнифер Джеймс, студентка программы "Исследовательский опыт для студентов". Их внимание было сосредоточено на понимании стабильности эксперимента, анализе деталей записанных сигналов и характеристике фона.

"Это все равно что искать крошечную иголку в очень, очень, очень большом стоге сена - вы должны тщательно избавиться от всего сена (также известного как фон), и вы даже не знаете, есть ли там на самом деле иголка или нет, - сказал Фуад. "Очень интересно быть частью этого поиска".

Хотя исследователи в конечном счете не наблюдали распада, на который они надеялись, они обнаружили, что масштаб распада нейтрино превышает установленный ими предел, который они проверят дополнительно на следующем этапе эксперимента. Кроме того, они зафиксировали другие научные результаты - от темной материи до квантовой механики, - которые помогают лучше понять Вселенную.

В рамках проекта исследователи доказали, что методы, которые они использовали, могут быть использованы в гораздо большем масштабе в потенциально изменяющем правила игры поиске, который мог бы помочь объяснить существование материи во Вселенной.

"Мы не увидели распада, который искали, но мы подняли планку в отношении того, где искать физику, к которой мы стремимся", - сказал Петтус. "Верный своему названию, демонстратор развивает критические технологии, которые мы уже используем для следующего этапа эксперимента в Италии. Возможно, мы еще не изменили нашу картину физики, но мы определенно раздвинули горизонты, и я очень взволнован тем, чего мы достигли ".

Следующий этап проекта, получивший название LEGEND-200, уже начал сбор данных в Италии, и его планируется запустить в течение следующих пяти лет. Исследователи стремятся наблюдать распад, происходящий с более высокой чувствительностью, чем демонстратор Майораны. Кроме того, благодаря поддержке Министерства энергетики США команда уже разрабатывает эксперимент-преемник LEGEND-1000.

Петтус взволнован будущим этой работы и надеется привлечь к проекту больше студентов, как для анализа данных, так и для разработки аппаратного обеспечения для LEGEND-1000.

"Если мы обнаружим, что нейтрино является своей собственной античастицей, у нас по-прежнему будет земля под ногами и звезды на небе, и наше понимание физики не изменит реальности физических законов, которые всегда были и продолжают управлять нашей вселенной", - сказал Петтус. "Но знание того, что находится там, на самом фундаментальном уровне, и как устроена Вселенная, дает нам более богатый, красивый мир для жизни - или, возможно, просто более странный - и это стремление в корне присуще человеку".

Демонстратором Majorana руководила Национальная лаборатория Окриджа при Управлении ядерной физики Министерства энергетики США при поддержке Национального научного фонда.