Проект «Борексино»: десять лет исследований
Ученые международной коллаборации «Борексино» с участием сотрудников МГУ имени М. В. Ломоносова представили результаты десятилетних нейтринных исследований. Результаты наблюдений на детекторе «Борексино» подтверждают теоретические предсказания Стандартной солнечной модели и предоставляют более глубокое понимание термоядерных процессов, протекающих внутри Солнца, сообщили в пресс-службе университета. Исследование опубликовано в журнале Nature 25 октября.
«Участие в эксперименте “Борексино” началось в 2002 году с приглашения наших коллег из Курчатовского института разработать и изготовить элементы системы сбора данных и контроля состояния детектора, — рассказал “Стимулу” старший научный сотрудник НИИ ядерной физики МГУ Александр Чепурнов. — После того как мы с этой задачей справились и детектор начал набор данных, мы втянулись и в физическую программу детектора, начали принимать участие в разработке алгоритмов обработки данных и в обработке физических данных».
Как отметил ученый, научная работа в международной коллаборации не делится по принадлежности к тому или иному институту или стране-участнице, а организована в виде рабочих групп, решающих конкретные научные и технические задачи. В рамках таких групп ученые из МГУ вносят свой вклад в создание и обслуживание системы контроля темновых шумов, а также одного из двух измерительных комплексов детектора; создание и использование калибровочных систем; создание и обновление программных инструментов для обработки данных; обработку данных (солнечные нейтрино, геонейтрино, поиск корреляций с астрофизическими сигналами). В МГУ также создан вычислительный комплекс для хранения и обработки собранных детектором данных.
98% энергии, производимой Солнцем, высвобождается в процессе термоядерных реакций протон-протонного цикла. В ходе него атомы водорода превращаются в атом гелия с выделением большого количества различных частиц и электромагнитного излучения, включая свет и тепло. Нейтрино — единственная из частиц, выделяемых в процессе термоядерных реакций, которая долетает до Земли «в неизменном виде». Эти частицы способны проходить через материю и магнитные поля не искажаясь и доносить информацию о термоядерных процессах внутри Солнца.
Для регистрации нейтрино в мире существует несколько мегаустановок, а детектор «Борексино» (Borexino) — одна из самых чувствительных среди них. Этот детектор расположен в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия). «Борексино» представляет собой нейлоновую сферу диаметром 8,5 метра, заполненную 300 тоннами чрезвычайно низкофонового жидкого сцинтиллятора и окруженную многими слоями защиты. Радиационный фон внутри детектора в сто миллиардов раз ниже, чем в окружающей среде. Нейтрино под силу преодолеть такую систему защиты, а за их взаимодействиями со сцинтиллятором «наблюдают» 2200 фотоумножителей.
Детектор смог впервые измерить поток «бериллиевых» нейтрино от Солнца с уникально высокой точностью 2,7% — в два раза более высокой, чем предсказания Стандартной солнечной модели (ССМ). Сигнал от рер-нейтрино впервые зарегистрирован на уровне статистической значимости 5 сигма. «Борные» нейтрино измерены с наиболее низкого энергетического порога 3,2 МэВ, недоступного другим нейтринным детекторам, а высокая точность измерений рр-нейтрино позволила впервые определить относительные скорости ветвления протон-протонной цепочки в звездах по каналам 3Не+3Не и 3Не+4Не, которые оказались в согласии с предсказаниями ССМ.
«Хорошо известно, что нейтрино подвержены квантовому эффекту осцилляций, то есть переходят из одного типа в другой, и вероятность этого процесса зависит от их энергии и ряда других параметров, — рассказывает Александр Чепурнов. — Рождающиеся в различных реакциях на Солнце нейтрино обладают разными энергиями, следовательно, их изучение не только способствует изучению феноменологии нейтринных осцилляций, но и позволяет реализовать поиск возможных эффектов за пределами Стандартной модели физики частиц, таких как, например, нестандартные взаимодействия нейтрино и переходы нейтрино в стерильное состояние».
Изучение солнечных нейтрино важно для таких областей науки, как физика Солнца и астрофизика. Так, данные о концентрации элементов тяжелее гелия (металличность) на Солнце, полученные путем спектроскопии и методами гелиосейсмологии, противоречили друг другу. Исследования на детекторе «Борексино» указывают на достоверность модели Солнца с высокой концентрацией тяжелых химических элементов на уровне статистической значимости 2 сигма. Таким образом, данные о металличности Солнца впервые получены новым методом, что, возможно, послужит первым шагом в решении давней научной проблемы.
Российские ученые внесли существенный вклад в развитие проекта в виде разработки, изготовления и внедрения электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе «Борексино» функционирует разработанный российскими учеными электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса. Ожидается, что «Борексино» продолжит собирать данные до 2020 года.
В проекте «Борексино» от России участвуют сотрудники НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына МГУ, специалисты Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», работающие на площадках в Москве и Санкт-Петербурге НИЦ КИ-ПИЯФ и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне.
Детектирование таких «неуловимых» частиц, как нейтрино, осложняется естественной радиоактивностью, всегда присутствующей в той или иной степени в любых материалах и имитирующей процессы нейтринного взаимодействия. Поэтому основные усилия исследователей в проекте «Борексино» были направлены на подбор радиационно чистых материалов для сооружения детектора и разработку новых технологий очистки жидкостей и газов от естественных радиоактивных примесей.
В результате исследований удалось достичь фантастических результатов: в каждом грамме вещества, в котором взаимодействует нейтрино, содержится лишь 10−17 грамма посторонних примесей. Например, азот, использованный в эксперименте, обладает уровнем радиоактивности в миллиард раз меньшим, чем природный азот, составляющий почти 80% воздуха.