Внутри детектора солнечных нейтрино Borexino

Эксперименты, в которых нужно выделить очень редкие события, такие как взаимодействие нейтрино, распад протона или двойной бета-распад, требуют, с одной стороны, детектора большой массы, которая в настоящее время может измеряться сотнями и даже тысячами тонн, с другой стороны - предельно низкого уровня фона детектора, т.е. ложных сигналов, которые могут имитировать искомый эффект. В низкоэнергетической области существует два основных источника фона детектора: естественная радиоактивность уранового и ториевого семейств и космическое излучение. Проблема естественной радиоактивности решается путем создания детектора из очень чистых материалов. Для уменьшения потока мюонов, составляющих основную часть космического излучения, необходимо подземное расположение установки. На уровне моря около 150 мюонов проходят через квадратный метр в секунду. В подземной лаборатории, расположенной на глубине, эквивалентной слою воды толщиной 4 км, поток мюонов в миллион раз меньше.

В мире организовано более 20 подземных лабораторий, находящихся на глубинах от сотен метров до 2 км. Национальная лаборатория Гран-Сассо (LNGS) является самой большой подземной лабораторией, как по размерам, так и по количеству выполняемых экспериментов. В настоящее время в ней проводится 18 экспериментов, в которых участвуют 750 научных сотрудников из 22 стран.

Схема подземной лаборатории Гран-Сассо

Лаборатория находится в центре Италии, в 120 км от Рима, под горным массивом Гран-Сассо (Большой Камень) Апеннин. Средняя толщина горы над лабораторией составляет 1.4 км, что обеспечивает подавление потока мюонов почти в миллион раз. Низкое содержание урана и тория в горных породах приводит к тому, что поток нейтронов в тысячу раз меньше, чем на поверхности. Доступ в лабораторию возможен из 11 км туннеля, соединяющего города Терамо и Лаквила (в этом городе весной произошло крупное землетрясение). Подземная часть лаборатории представлена тремя большими залами, каждый длиной 100 м, шириной 20 м и высотой 18 м Строительство подземной части лаборатории началось в 1982 и было завершено через 5 лет. Наземные корпуса удачно вписываются в горный ландшафт.

В лаборатории проводятся исследования по двум основным направлениям: (1) изучение свойств и взаимодействий нейтрино, которое включает и поиск двойного бета-распада, и (2) поиск частиц, из которых могла бы состоять темная материя.

В настоящее время нейтрино регистрируют три больших детектора: Borexino, LVD и ОPERA. Детектор Borexino - это жидко-сцинтилляционный детектор массой 278т. Основная задача эксперимента Borexino, в котором участвует ПИЯФ, - измерение спектров солнечных нейтрино с помощью реакции рассеяния нейтрино на электроне. Главная задача - измерение потока ⁷Ве-нейтрино – уже успешно решена. От России в коллаборацию также входят ОИЯИ, Курчатовский институт и НИИФ МГУ.

Детектор LVD ориентирован на регистрацию нейтрино от вспышки сверхновой звезды, подобно той, что произошла в 1987 г в ближайшей к нам соседней галактике. Жидкий сцинтиллятор, общей массой 1000 т, находится в 840 отдельных секциях. Детектор ведет наблюдения с 1992 года. Антинейтрино регистрируется по реакциям обратного бета-распада на протоне и углероде. Одновременно детектор используется для изучения взаимодействия мюонов с веществом.

В эксперименте OPERA регистрируются нейтрино, пучок которых направлен в Гран-Сассо из ЦЕРНа (Швейцария). Мюонные нейтрино проходят 730 км внутри Земли, прежде чем достигнут детектора. На этом пути часть мюонных нейтрино должна превратиться в тау-нейтрино. В 2008 г детектор зарегистрировал 10 тысяч событий, коррелированных по времени с пучком из ЦЕРНа. Детекторы LVD и Borexino также успешно наблюдали взаимодействия нейтрино, прибывшего из ЦЕРНа. В эксперименте OPERA предполагается наблюдение нескольких распадов тау-лептона, что будет прямым подтверждением возникновения тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Трек тау-лептона будет зарегистрирован в ядерной фотоэмульсии, которая входит в состав мишени, общая масса которой составляет одну тысячу тонн.

LVD ожидает вспышки Сверхновой (вид сбоку)

После открытия осцилляций нейтрино, которые означают, что нейтрино имеют массы, самым важным становится вопрос о природе нейтрино. До сих пор неясно, являются ли нейтрино и антинейтрино различными или тождественными частицами. Наблюдение двойного бета-распада прямо указывало бы, что нейтрино является истинно нейтральной частицей, а измеренная скорость распада дала бы значение эффективной массы электронного нейтрино. В настоящее время установлены только верхние пределы на скорость распада, на основании которых можно утверждать, что масса нейтрино меньше, чем ~0.3 эВ.

В Гран-Сассо проводится три эксперимента по поиску двойного бета-распада. Коллаборация GERDA будет использовать полупроводниковые германиевые детекторы, CUORE – болометры на основе кристаллов TeO₂ и СOBRA - детекторы из теллурида кадмия. Все эксперименты являются поэтапными, предполагающими наращивание массы мишени до величины порядка одной тонны. В этом случае ожидаемая чувствительность к массе нейтрино оказывается

на уровне 0.01 эВ.

Существование темной материи во Вселенной является хорошо установленным фактом. Наблюдаемая зависимость скорости вращения звезд и светящегося газа от расстояния до центра спиральных галактик и галактических скоплений с неизбежностью приводит к существованию гало темной материи, окружающего галактику или скопления галактик. Природа происхождения таких гало остается загадкой. Согласно современным представлениям, 70% энергии Вселенной содержится в форме темной энергии, 26% - в форме темной материи и только 4% - в виде барионов. Теоретические модели дают большой набор кандидатов на небарионную темную материю. В качестве наиболее вероятных кандидатов рассматриваются массивные слабовзаимодействующие частицы WIMPs, представителем которых могла бы быть легчайшая суперсимметричная частица, и аксионы.

OPERA регистрирует нейтрино из ЦЕРНа

В эксперименте DAMA/LIBRA обнаружено изменение скорости счета NaI-детекторов с периодом один год, которое интерпретируется как сигнал от рассеяния WIMPs на ядрах. Следует отметить, что эти результаты не подтвердились на установке XENON10, также расположенной в Гран-Сассо. Новый вариант жидкоксенонового детектора имеет на порядок большую массу мишени. Два других эксперимента по поиску темной матери (WARP и GRESST) находятся в стадии подготовки. Оба эксперимента используют очень оригинальные способы детектирования, позволяющие разделить сигналы электронов и ядер отдачи.

Ограниченный размер статьи позволяет только упомянуть о других установках, таких как 600-тонный прототип детектора ICARUS для поиска редких мод распада протона, эксперимент VIP по поиску нарушения принципа Паули, небольшой ускоритель Luna, с помощью которого измеряются сечения ядерных реакций, важных для астрофизики.

В заключение следует отметить, что в лаборатории более 10-ти крупных экспериментов уже завершены. Среди них широко известный эксперимент по поиску двойного распада ⁷⁶Ge, выполненный коллаборацией Москва-Гайдельберг, галлиевый радиохимический детектор солнечных нейтрино Gallex/GNO, большой сцинтилляционный детектор для поиска магнитных монополей MACRO и другие. Поскольку «неускорительные» эксперименты, проводимые в подземных лабораториях, позволяют добраться, пусть даже косвенным образом, до энергий, при которых возможно объединение взаимодействий и частиц, и которые недостижимы для современных и будущих ускорителей, их должно ожидать хорошее будущее.

доктор физ.-мат. наук А.В. Дербин