Стерильное нейтрино из Баксанского ущелья

Нейтрино крайне сложно зарегистрировать, поскольку оно практически не взаимодействует с веществом. Ученые считают, что определение свойств нейтрино позволит значительно продвинуться в понимании физики элементарных частиц, фундаментальных законов Вселенной и лучше понять ее развитие.

Эксперимент BEST проводится на базе подземной лаборатории Галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО; Баксанское ущелье, Кабардино-Балкария), созданной еще в советские времена специально для изучения нейтрино.

Маленькая, но очень важная

Нейтрино (символ v) — очень легкая электрически нейтральная, не обладающая цветом частица со спином ½. Нейтрино участвует в слабом и гравитационном взаимодействиях, принадлежит к классу лептонов, а по статистическим свойствам является фермионом, как электрон и протон.

Существует три типа нейтрино, а также их три античастицы, каждая из которых соответствует одному из трех лептонов, имеющих электрический заряд.

Электронное нейтрино (v_e). Первое открытое нейтрино, относится к первому поколению лептонов. Оно рождается в процессе бета-распада (реакция превращения атомного ядра с испусканием бета-частицы — электрона или позитрона) и высвобождает остаточную энергию, «не взятую» электроном; по этой причине и получило свое название.

Мюонное нейтрино (v_m) — второй тип, описанный в 1940-х годах и экспериментально обнаруженный в 1962 году. Зачастую оно излучается в реакциях с участием космических лучей высоких энергий и при распаде π- и К-мезонов.

Тау-нейтрино (v_т) — соответствует тау-лептону, открытому в 1975 году, и вместе с ним является лептоном третьего поколения. Экспериментально обнаружена в 2000 году и стала предпоследним фермионом, предсказанным Стандартной моделью. Тау-антинейтрино до сих пор экспериментально не зарегистрировано, хотя сомневаться в его существовании не приходится. Среди проектов следующего поколения это открытие планирует сделать эксперимент SHiP, предложенный в ЦЕРНе.

Нейтрино имеют очень малое сечение взаимодействия с веществом, а потому обладают большой проникающей способностью. Они столь же распространены, как и фотоны. Испускаются при превращениях атомных ядер и в слабых распадах частиц; процессы, приводящие к образованию нейтрино, происходят в недрах Земли, ее атмосфере, внутри Солнца и других звезд; при этом нейтрино (за редким исключением) беспрепятственно выходят из источников своего возникновения. Предсказывается генерация мощных нейтринных вспышек при гравитационных коллапсах звездных ядер. Такое событие было зарегистрировано при вспышке сверхновой SN 1987А. В лабораторных условиях интенсивные потоки нейтрино создаются с помощью радиоактивных источников, ядерных реакторов, на ускорителях протонов высокой энергии (>1 ГэВ) и мезонных фабриках.

Одна из основных физических задач, связанных с нейтрино, — так называемая проблема солнечных нейтрино. Как известно, в центре нашей звезды происходят термоядерные реакции, вследствие которых должны образовываться электронные нейтрино. Имея теоретическую модель Солнца, ученые высчитали число электронных нейтрино, которые должны быть излучены звездой и зарегистрированы земными детекторами. Однако, согласно наблюдениям, которые ведутся с конца 1960-х, количество регистрируемых частиц оказывается меньше ожидаемого.

«Еще до первых экспериментов по солнечным нейтрино блестящую догадку сделал ученый Бруно Понтекорво — итальянец, который после войны перебежал в Советский Союз и работал в Дубне, — рассказал “Стимулу” главный научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Дмитрий Горбунов. — Понтекорво предположил, что нейтрино могут переходить из одного в другое, то есть высказал идею осцилляций. Последующие опыты доказали это».

По словам Дмитрия Горбунова, у этих осцилляций есть две характеристики: углы смешивания, то есть насколько в одном элементе может быть примесь другого, и разности квадратов масс, показывающие, как часто происходят переходы. Здесь стоит отметить, что одно нейтрино может быть без массы, но два других обязательно должны быть массивные.

«Исследователи зафиксировали дефицит нейтрино и поняли, что экспериментальные данные не согласуются с предсказаниями Солнечной модели. Сегодня мы знаем, что доля “пропавших” нейтрино зависит от энергии. Вероятности переходов одних нейтрино в другие, которые мы экспериментально измеряем, теоретически описываются формулой, в которой присутствуют углы смешивания и разности квадратов масс. Как функции времени (или расстояния от источника) эти вероятности имеют осцилляторный характер (знакомые со школы синусы и косинусы) — отсюда и термин “осцилляции”».

Теперь осцилляции подтверждены в многочисленных опытах с атмосферными нейтрино и «искусственными» нейтрино — от нестабильных изотопов, от ядерных реакторов, от распадов короткоживущих частиц, специально созданных в ускорительных экспериментах.

С уникальной проникающей способностью нейтрино (обусловленной его участием только в слабых взаимодействиях) связано развитие таких направлений, как нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. Дело в том, что так же, как и Солнце, большинство других звезд излучают энергию в основном в виде потока нейтрино. Вместе с тем в силу слабого поглощения этих частиц в галактической и межгалактической средах дальность их свободного распространения значительно превышает расстояния, проходимые фотоном.

Главный научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Дмитрий Горбунов

троицкинформ.москва

Если нам все же удастся «подружиться» с нейтрино, мы сможем намного ближе познакомиться с космосом и процессами, протекающими в его глубинах. Ведь в отличие от электромагнитных волн нейтрино поступают к нам из самого «центра событий» — сердцевины звезд, например, таких, как Солнце, где они участвуют в термоядерных реакциях. Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции, они могут доставлять нам ценную информацию обо всех этих процессах из самых дальних закоулков космоса.

Детекторы, мгновенно регистрирующие нейтрино, которые вылетают из ядерного реактора на АЭС, приносили бы более подробную информацию о том, как проходит ядерная реакция. Это помогло бы улучшить контроль мощности и состава топлива и тем самым повысить уровень безопасности.

Ученые смогут изучать и недра Земли, которые тоже излучают нейтрино в результате радиоактивных распадов ядер. Такие исследования позволят подробнее определить состав нашей планеты.

«Что касается земных недр, есть два интересных сюжета, — рассказывает Дмитрий Горбунов. — Один из них связан с тем, что в центре Земли есть тяжелые элементы, которые претерпевают ядерный распад. Этот процесс приводит к выделению тепла, подогревающего нашу планету. Сколько этого тепла, нам очень важно узнать. В ходе этого процесса рождаются антинейтрино и вылетают из Земли. Если мы научимся их регистрировать, то сможем понять, что происходит в центре, и уверенно будем говорить, какие там есть элементы, в каком количестве, какие процессы происходят. Всю физику центра Земли мы будем видеть в режиме реального времени, потому что нейтрино вылетают мгновенно, в отличие, к примеру, от тепла, которое просачивается постепенно».

Второе — это космические лучи, которые бомбардируют атмосферу, там рождаются вторичные частицы, они, в свою очередь, распадаются. Вылетают нейтрино, которые пролетают через Землю, но в Земле есть эффект материи.

«Все вокруг состоит из материи, антиматерии мы не видим, — рассказывает Дмитрий Горбунов. — А в космических лучах производятся нейтрино и антинейтрино, да еще разных поколений. Нейтрино все-таки немного взаимодействуют в веществе, что влияет на их распространение и на осцилляции. Соответственно, есть различные изменения этих потоков, которые определяются асимметричным действием земной материи: во-первых, нет антиматерии, а во-вторых, это материя только первого поколения — взаимодействия такой материи, например, с электронными и мюонными нейтрино различны. Дальше нейтрино вылетают из Земли, и мы измеряем спектр нейтрино и антинейтрино, которые пролетели через Землю, и по этому спектру пытаемся восстановить, а что же там за вещество, где оно располагается внутри Земли. То есть состав Земли будет нам доступен, такая нейтринная томография получается. Работы в этом направлении ведутся, и, конечно, важно понимать, не переходят ли нейтрино в четвертый, стерильный тип».

В специально построенной подземной лаборатории глубокого заложения размещен Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ)

BEST

Ни в каких взаимодействиях не участвует

Реализацию проекта BEST координирует Институт ядерных исследований. Коллаборация насчитывает 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии.

Будет проведено десять экспериментов (экспозиций), каждый продолжительностью девять дней. Ожидаемая точность измерений интенсивности источника — не ниже 1%. Эксперимент BEST поможет ответить на вопрос о существовании в природе четвертого типа нейтрино — «стерильного» (помимо электронного, тау- и мюонного).

Стерильное нейтрино — это гипотетическая частица, которая не участвует ни в каких фундаментальных взаимодействиях, ни в сильных, ни в слабых, ни в электромагнитных, и проявляется она только в виде переходов, в осцилляциях нейтрино между собой.

«В Стандартной модели три типа нейтрино, представим, что у нас есть четвертый, — поясняет Дмитрий Горбунов. — Допустим, у вас есть источник нейтрино одного типа, и на некотором расстоянии от него вы ставите детектор, который различает все три известные типа нейтрино: электронные, мюонные и тау. И если есть четвертый тип нейтрино, с которым наши нейтрино смешиваются, то, посчитав, сколько каких нейтрино через детектор пролетает, вы понимаете, что куда-то часть из них пропала: будет недостаток».

Напрямую стерильное нейтрино зарегистрировать нельзя, потому что оно не участвует в слабых процессах. Ведь известные нейтрино (в нашем контексте их называют активными) регистрируют благодаря обратной реакции: они участвуют в слабых процессах, и ученые пытаются найти признаки того, что произошло слабое взаимодействие. Например, выбился электрон, или мюон, или произошли какие-то еще процессы, которые говорят, что случилось слабое взаимодействие. Еще раз стоит отметить, что стерильное нейтрино — это гипотетическая частица, ее существование пока никак не доказано.

«Обнаружить стерильное нейтрино важно и потому, что на этом этапе остальные нейтрино мы очень хорошо исследовали, — поясняет Дмитрий Горбунов. — И уже начинаем их использовать как инструмент для исследования других физических процессов и явлений, например внутреннего строения Земли или Солнца, мониторинга ядерных реакций в энергоблоках АЭС. Но чтобы это уверенно делать, мы должны себе представлять свойства этих частиц. Соответственно, если есть возможность смешивания активных нейтрино с какими-то еще частицами, это нужно принимать во внимание. И поэтому необходимо в первую очередь уточнить, есть ли такая новая частица и какие у нее свойства, какая масса. Это позволит нам подняться на новый уровень понимания физики микромира и одновременно повысить достоверность информации, которую мы получаем об объекте исследования с помощью такой “нейтринной томографии”».

По словам ученого, экспериментальные наблюдения за потоками нейтрино и теоретические предсказания, как должны быть устроены эти потоки, не согласуются друг с другом на уровне нескольких процентов. «Это может быть указание на то, что существует стерильное нейтрино, или на то, что мы не совсем аккуратно учитываем все процессы, которые происходят, а может быть, это статистическая флуктуация. Потому что два-три доверительных интервала — это не такая уж большая аномалия, но тем не менее мы не знаем ее физику, что за ней стоит. Эксперименты, которые сейчас проходят и в нашей стране, и за рубежом, нацелены на то, чтобы с этими аномалиями разобраться», — говорит Дмитрий Горбунов

Вид на пос. Нейтрино и гору Андырчи. Наземные сооружения БНО: 1 – установка «Ковер», 2 – мюонный детектор, 3 – лабораторные корпуса, 4 – установка «Андырчи», 5 – входы в штольни

BEST

В толще горы Андырчи

Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН — первая (работает с 1973 года) и одна из двух функционирующих сегодня в мире крупномасштабных подземных лабораторий, включающих в себя комплекс дополняющих друг друга уникальных установок для междисциплинарных исследований на стыке фундаментальной физики, астрофизики и геофизики.

Вторая подобная обсерватория с комплексом подземных установок расположена в Гран-Сассо в Италии, действует с 1989 года. Остальные подземные лаборатории в мире решают более частные задачи.

Только в лабораториях, расположенных глубоко под землей, может быть достигнут чрезвычайно низкий уровень радиационного фона, необходимый для большинства ключевых исследований в области нейтринной физики и экспериментов, направленных на поиск редких событий в физике элементарных частиц. Только подземные лаборатории могут обеспечить условия для создания ультранизкофоновых гамма-спектрометров для определения следовых количеств радиоактивных примесей в материалах, используемых в низкофоновых экспериментах. В последние несколько десятилетий подземная физика получила интенсивное развитие во всем мире. Практически все развитые страны активно создают новые или расширяют существующие подземные лаборатории.

БНО состоит из комплекса подземных сооружений, расположенных вдоль двух параллельных горизонтальных штолен в толще горы Андырчи (высота горы свыше четырех километров; длина штолен около четырех километров, и комплекса наземных лабораторий. БНО является градообразующим предприятием: комплекс инженерно-хозяйственных сооружений и жилья для сотрудников составил новый населенный пункт — пос. Нейтрино.

В специально построенной подземной лаборатории глубокого заложения размещен Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ). Подземный комплекс лаборатории ГГНТ расположен на расстоянии трех с половиной километров от входа горизонтального тоннеля, ведущего внутрь горы Андырчи. Основное помещение лаборатории представляет собой экспериментальный зал длиной 60 метров, шириной 10 метров и высотой 12 метров.

Горные породы над лабораторией создают защиту от мюонов космических лучей, соответствующую 4700 метров водного эквивалента, и дают ослабление потока мюонов в 10⁷ раз. Для снижения нейтронного и гамма-фона от окружающих горных пород зал облицован низкорадиоактивным бетоном толщиной 600 миллиметров и стальным листом толщиной шесть миллиметров.

Для эксперимента BEST было изготовлено новое экспериментальное оборудование, в том числе двухзонный бак для облучения 50 тонн металлического галлия и дополнительные модули систем извлечения и счета ядер германия. Но галлий используют из ГГНТ. Эксперимент проводится на этой же площадке. И некоторые технологии, которые применялись для извлечения германия из галлия, тоже используются. Ведь из нескольких тонн извлекается всего пара десятков атомов!

«Галлий-германиевый нейтринный телескоп действует следующим образом, — поясняет Дмитрий Горбунов: — Есть поток нейтрино от Солнца. Эти нейтрино взаимодействуют с галлием и переводят иногда, очень редко, ядро галлия в германий. При этом германий образуется радиоактивный. То есть если выделить эти элементы германия и подождать некоторое время, они распадутся, и таким образом можно посчитать, сколько ядер германия образовалось и, соответственно, сколько взаимодействий нейтрино в веществе произошло. Объем вещества мы знаем, сколько таких процессов произошло, мы экспериментально измерили, и мы можем определить поток нейтрино».

Галлий-германиевый нейтринный телескоп предназначен для того, чтобы измерять поток нейтрино от Солнца. А в эксперименте BEST используется такая же ядерная реакция, но только источником нейтрино в данном случае является хром-51 — это искусственный источник, созданный учеными на ядерном реакторе в Димитровграде.

«Мощность источника известна, спектр известен, то есть мы все знаем про те нейтрино, которые оттуда должны вылетать. Этот источник помещают внутрь сферы, заполненной галлием. Соответственно, мы себе представляем, сколько там должно быть процессов перехода галлия в германий. Мы извлекаем этот германий и проверяем нашу теорию. Кроме того, сфера, в свою очередь, погружена в емкость, по форме похожую на консервную банку, которая тоже заполнена галлием (по размеру эта “консервная банка” больше человека). И там происходит такой же процесс. Таким образом, мы на другом расстоянии проверяем, все ли нормально. Дело в том, что, если измерять потоки нейтрино на разных расстояниях, они будут разными — осцилляции! Это не то, что нейтрино пропало, и всё. Оно сначала пропало, потом появилось. А через сто метров опять пропало. И эту картину мы сможем увидеть», — пояснил исследователь.

Если никаких осцилляций в стерильное нейтрино нет, то в обоих случаях ученые получат ответ, который согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Но если будет зарегистрирована нехватка нейтрино, то количество недостающих нейтрино в меньшего размера детекторе и в большего размера детекторе будет разным. По словам Дмитрия Горбунова, это позволит подтвердить, что стерильное нейтрино существует, и определить важные характеристики новой частицы — массу и угол смешивания с электронным нейтрино.