Охота за стерильным нейтрино

Алексей Понятов,
кандидат физико-математических наук
«Наука и жизнь» №9, 2019

Гора Андырчи и посёлок исследователей Нейтрино. Вход в туннель, ведущий к экспериментальным установкам, расположен у подножия горы за зданием на переднем плане

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.

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.

Взаимодействие электронного нейтрино (ν_е) с галлием приводит к превращению галлия в германий и испусканию электрона

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 добраться 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.

Главный зал галлий-германиевого нейтринного телескопа. На переднем плане в центре — собранная установка BEST

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.

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

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.

Счётчик, подсчитывающий количество распадов выделенного германия

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.

Источник нейтрино помещают в установку BEST

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%.

Фрагмент активной защиты от радиации с восемью счётчиками, подсчитывающими количество распадов выделенного германия

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.

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

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.

По туннелю в горе Андырчи к подземным лабораториям ходит электропоезд

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

Иллюстрации БНО ИЯИ РАН

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