Охота за стерильным нейтрино

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов. Иллюстрации БНО ИЯИ РАН

В 1995 году физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) обнаружили нехватку нейтрино, рождающихся в реакторе.

В июле 2019 года Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) Института ядерных исследований РАН (ИЯИ) приступила к проведению эксперимента BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Его цель — обнаружение так называемых стерильных нейтрино. Это эксперимент мирового уровня, который ИЯИ РАН готовил несколько лет совместно с НИЦ «Курчатовский институт», Росатомом и Объединённым институтом ядерных исследований в Дубне.

Гора Андырчи и посёлок исследователей Нейтрино. Вход в туннель, ведущий к экспериментальным установкам, расположен у подножия горы за зданием на переднем плане.
Взаимодействие электронного нейтрино (νе) с галлием приводит к превращению галлия в германий и испусканию электрона.
Главный зал галлий-германиевого нейтринного телескопа. На переднем плане в центре — собранная установка BEST.
Местоположение галлий-германиевого нейтринного телескопа и других установок внутри горы Андырчи. На схему наложен график убывания потока мюонов по мере увеличения толщи горных пород над лабораториями.
Источник нейтрино помещают в установку BEST.
Фрагмент активной защиты от радиации с восемью счётчиками, подсчитывающими количество распадов выделенного германия.
По туннелю в горе Андырчи к подземным лабораториям ходит электропоезд.
Схема установки BEST. Внутри бака показаны две зоны (мишени), заполненные жидким галлием. Они имеют отдельные системы его перекачки. Системы подогрева поддерживают галлий в жидком состоянии. В центре бака — шахта с источником нейтрино.
Счётчик, подсчитывающий количество распадов выделенного германия.

В настоящее время известны три типа нейтрино и соответственно антинейтрино: электронное, тау и мюонное, что соответствует трём видам лептонов. Важнейшее их свойство — способность периодически превращаться друг в друга — осциллировать. Впервые предположение о такой особенности этих частиц высказал академик Бруно Максимович Понтекорво ещё в 1957 году. Позднее оно подтвердилось экспериментально, что было удостоено Нобелевской премии по физике за 2015 год (см. статью «“Оборотни” микромира», «Наука и жизнь» № 11, 2015 г.).

Именно осцилляциями удалось объяснить многолетнюю загадку дефицита солнечных нейтрино, когда на Земле регистрировалось солнечных электронных нейтрино примерно в три раза меньше, чем предсказывает теория, описывающая термоядерные реакции в недрах Солнца. В исследованиях этой проблемы с 1990 года участвовала и БНО. Достоинство используемого в БНО нейтринного телескопа с мишенью из галлия заключается в его способности регистрировать низкоэнергичные нейтрино, которые как раз и рождаются в термоядерных реакциях, отвечающих за подавляющую часть энергии, излучаемой Солнцем.

В 1995 году физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) обнаружили нехватку нейтрино, рождающихся в реакторе. Они предположили, что, возможно, существует четвёртый тип нейтрино, который совершенно не взаимодействует с веществом. Эта частица, не участвующая ни в каких фундаментальных взаимодействиях и проявляющая себя только в осцилляциях нейтрино между собой, получила название «стерильное» нейтрино. Если другие нейтрино превращаются в стерильное, то обнаружить их невозможно, они как бы исчезают для исследователей.

Проблема в том, что надёжность лос-аламосского эксперимента недостаточна для однозначного вывода о существовании стерильного нейтрино. А в последующих экспериментах, в том числе и в других лабораториях, физики так и не смогли обнаружить эту неуловимую частицу, хотя некоторые обнадёживающие данные получили как отечественные, так и зарубежные исследователи. Поиск стерильного нейтрино в настоящее время активно ведётся в крупнейших лабораториях мира, к которым теперь присоединилась и российская БНО.

Нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом, благодаря чему способно до-браться до нас из глубин космоса и недр звёзд, неся важнейшую информацию о происходящих там процессах. Геофизики планируют изучать недра Земли, регистрируя нейтрино, рождающиеся там в радиоактивных распадах ядер. Детекторы, фиксирующие нейтрино, вылетающие из ядерных реакторов на АЭС, дают дополнительную информацию о протекании ядерной реакции. Но чтобы это всё работало достоверно, необходимо знать, переходят ли известные нейтрино в четвёртое, стерильное состояние.

Возможно, существованием стерильного нейтрино можно будет объяснить и проблему, с которой столкнулись в самой БНО. Оказалось, что в экспериментах с искусственными источниками нейтрино во взаимодействие с галлием, используемым для регистрации нейтрино в галлий-германиевом нейтринном телескопе (ГГНТ), вступает меньше нейтрино от источника, чем ожидалось. Именно этот факт вдохновил исследователей под руководством члена-корреспондента РАН Владимира Николаевича Гаврина на разработку эксперимента BEST.

Для регистрации нейтрино в эксперименте BEST использован тот же принцип, что и в ГГНТ, ранее созданном для измерения потока нейтрино от Солнца. Он заключается в том, что нейтрино, проходя через десятки тонн галлия, изредка взаимодействуют с ядрами его атомов, превращая их в германий. При этом образуется радиоактивный изотоп германия71Ge с периодом полураспада всего 11,4 дня. Его можно отделить от галлия химическим путём, возвращая детектор в исходное рабочее состояние. Выделенный германий переводится в газообразную форму GeH4 и помещается в счётчик, который в течение пяти месяцев будет регистрировать частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде его ядер. Количество распадов за заданное время позволяет по закону распада определить, сколько всего ядер германия образовалось, а значит, и количество взаимодействий нейтрино с галлием. Дальше, зная вероятность такого взаимодействия и объём галлия, исследователи определяют искомый поток нейтрино. Стоит отметить, что выделение нескольких атомов германия из тонн галлия — непростая задача, которую наши физики успешно решили.

Стерильные нейтрино напрямую обнаружить нельзя, ведь они не будут взаимодействовать с галлием. Зато они могут быть обнаружены по их отсутствию. Это кажется парадоксальным, но идея эксперимента проста. Надо взять искусственный источник нейтрино с известным их потоком и посмотреть, сколько нейтрино в этом случае зарегистрирует детектор. Если их окажется меньше, чем должно быть при данном потоке, то есть основание предположить, что недостающие нейтрино — это те, которые превратились в стерильные. Правда, простота идеи не означает простоту самого эксперимента, ведь нужно создать такой источник и устранить все побочные факторы, способные привести к таким же результатам.

В эксперименте BEST источником нейтрино служит радиоактивный изотоп хрома 51Cr, однако в природе он не встречается из-за малого периода полураспада — около 28 суток. Его можно получить облучением нейтронами в ядерном реакторе стабильного изотопа 50Cr, но проблема в том, что в природном хроме его всего 4%. Поэтому сначала ПО «Электрохимический завод» (г. Зеленогорск, Красноярский край) получил 4 кг обогащённого хрома, в котором 98% составлял изотоп 50Cr. Это весьма трудоёмкая задача, с которой российские специалисты успешно справились. А уже потом высокоинтенсивный исследовательский ядерный реактор СМ в Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР, г. Димитровград, Ульяновская область) произвёл нужное количество 51Cr.

В окончательном виде источник нейтрино содержит 26 металлических дисков из хрома диаметром 88 мм и толщиной 4 мм, помещённых в стальную капсулу, экранированную свинцовой биологической защитой. Полный его размер — 16 см в диаметре и 22,6 см высотой. Активность источника определяется измерением тепла и гамма-излучения, которое он выделяет при радиоактивном распаде. Ошибка измерений не должна превысить 1%.

Для проведения эксперимента источник нейтрино помещён внутрь специального бака, заполненного 50 т жидкого галлия при температуре около 31°С (температура плавления галлия 29,8°С). Бак разделён на две зоны. Внутренняя имеет форму сферы и содержит 8 т галлия, внешняя — оставшиеся 42 т. Это позволяет измерять потоки электронных нейтрино на разных расстояниях от источника. При отсутствии переходов электронных нейтрино в стерильные нейтрино потоки нейтрино, измеренные в обеих зонах, должны быть равны. В начале эксперимента, когда интенсивность источника максимальна, в каждой зоне должно возникать по 65 атомов 71Ge в день. Если же по мере удаления от источника нейтрино осциллируют в стерильные состояния, то скорости производства германия во внутренней и внешней зонах будут разными.

Осцилляции нейтрино зависят от целого ряда параметров, в частности от энергии и расстояния между источником и детектором. Характеристики осцилляций физики уже достаточно хорошо знают из многочисленных солнечных, атмосферных и реакторных нейтринных экспериментов, регистрирующих нейтрино разных типов и энергий. Энергия излучаемых источником 51Cr электронных нейтрино такова, что их осцилляция в известные типы нейтрино должна происходить на больших расстояниях, значительно превышающих размеры баков с галлием. Поэтому в случае обнаружения в эксперименте BEST недостатка электронных нейтрино это однозначно будет связано со стерильными нейтрино.

Для извлечения атомов 71Ge, накопленных в галлиевых мишенях, жидкий галлий перекачивают в реакторы ГГНТ. Для каждой мишени используется своя система перекачки и извлечения.

Преимущество галлия перед жидкостями, используемыми в других нейтринных телескопах, в его высокой плотности, что позволяет сделать установку компактной. Для примера, детектор японской установки «Супер-Камиоканде» представляет собой цилиндрический резервуар высотой 41,4 м и диаметром основания 39,3 м, заполненный 50 000 т воды.

Установка BEST размещена в главном экспериментальном зале ГГНТ, который для защиты от посторонних излучений находится глубоко в недрах горы Андырчи на Северном Кавказе в Приэльбрусье. Зал имеет длину 60 м, ширину 10 м и высоту 12 м и расположен на расстоянии 3,5 км от входа в горизонтальный туннель, ведущий внутрь горы. Толща горных пород над телескопом достигает 2 км. С точки зрения защиты это соответствует слою воды в 4700 м, как говорят специалисты, водного эквивалента. Она ослабляет поток мюонов, порождаемых в атмосфере космическими лучами, в десять миллионов раз. Лаборатория занимает второе место по глубине залегания среди действующих нейтринных обсерваторий. Для снижения нейтронного и гамма-излучения от окружающих горных пород зал облицован низкорадиоактивным бетоном толщиной 60 см и стальным листом толщиной 6 мм.

На первой стадии эксперимента исследователи проведут 10 облучений галлия (экспозиций), каждое продолжительностью 9 дней, после которых будет извлекаться германий для измерений. Источник нейтрино был помещён в установку 5 июля 2019 года, и сразу же началась первая экспозиция. Медлить нельзя, поскольку хром быстро распадается и источник «разряжается». Первое извлечение экспериментаторы провели 15 июля, а последнее (десятое) состоится по графику 13 октября. Затем коллаборация из 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии, планирует приступить к обработке и анализу полученных данных. Координировать работу будет Институт ядерных исследований РАН.

Следующий цикл измерений возможен только после замены источника нейтрино. Общая продолжительность эксперимента зависит от того, будут ли получены в нём обнадёживающие результаты.

Редакция благодарит научного сотрудника БНО ИЯИ РАН Татьяну Викторовну Ибрагимову за помощь в подготовке статьи.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки