Нейтрино и антинейтрино31.03.2016 13:22

Физик Валерий Синев о зарождении нейтринной физики, регистрации нейтрино и экспериментах по их поиску

Нейтринная физика началась с того момента, как Паули предсказал само нейтрино, когда возник парадокс сохранения энергии в бета-распаде. В этот момент все ломали голову, почему бета-спектр непрерывный, а альфа-спектр линейчатый. Паули в 1930 году предположил, что существует некая неуловимая частица, которая называется нейтрино, она не имеет массы заряда и уносит недостающую энергию. Тогда Паули сказал: «Я сделал такую страшную, непростительную вещь для теоретика — предсказал частицу, которую невозможно будет зарегистрировать». К счастью, он оказался неправ. В 1953 году был поставлен эксперимент Райнесом и Коуэном в Хоумстейке (США). Они зарегистрировали нейтрино от реактора, которое оказалось не нейтрино, а антинейтрино. Это стало известно позднее.

В 1953 году было впервые зарегистрировано нейтрино, появилась работа Райнеса и Коуэна, которая называлась «Регистрация свободного нейтрино на свободном протоне». Затем, в 1956 году, они повторили эту публикацию, назвав ее уже подтверждением своего эксперимента. С этого момента и начинается нейтринная физика, которая занимается регистрацией нейтрино. За прошедшие 50 лет появилось множество детекторов.

Нейтрино было зарегистрировано на ядерном реакторе — это самый мощный источник антинейтрино на Земле. Как мы знаем, мощными источниками нейтрино являются звезды, в частности Солнце, ближайшая к нам звезда, и сама Земля — это, в общем-то, достаточно мощный, но распределенный источник нейтрино. А ядерный реактор — это самый мощный источник. Современный ядерный реактор мощностью 3 ГВт излучает примерно 5,5×1020 частиц в секунду, то есть поток нейтрино идет из ядерного реактора. Естественно, интересно было поставить эксперимент именно на реакторах, потому что, раз частица практически не регистрируется, значит, нужно иметь или очень мощный источник, или огромный детектор. Конечно, удобно расположить компактный детектор вблизи ядерного реактора.

После открытия нейтрино начался бум в нейтринной физике. Между 1950-ми и 1970-ми годами работала фактически только одна группа — группа Райнеса, которая вела исследования нейтринного потока от реактора. Начиная с 1970-х годов к ним подключились группы Советского Союза, в частности известный физик Лев Александрович Микаэлян. Он организовал для этого целый отдел. Ядерная энергетика тогда развивалась, и надо было искать реактор, на который можно было поставить эту установку. Группа столкнулась со всякими запретами на ядерном объекте, который вырабатывает электроэнергию.

Но в 1980-х годах нам удалось создать нейтринную лабораторию на Ровенской атомной станции. Это была первая специализированная лаборатория для регистрации нейтрино в Советском Союзе. В 1983 году мы опубликовали препринт, где была отмечена первая регистрация антинейтрино от ядерного реактора, которая позже превратилась в статью в 1983 году. Мы разработали целую программу. Вначале она повторяла программу Фредерика Райнеса, а затем вышла немного за эти рамки.

Тогда же, в 1970-е годы, Микаэлян предложил использовать нейтрино для удаленного мониторинга ядерного реактора. Очень интересная задача, потому что реактор наблюдают при помощи нейтронных детекторов, ионизационных камер и др. Например, нужно иметь прибор, который показывает, работает реактор или нет. Для этих целей нейтрино подходит идеально, то есть всегда можно смоделировать ситуацию, когда люди, которые управляют реактором, могут сказать, что реактор работает, а он на самом деле стоит. Есть такая возможность как бы сфальсифицировать работу реактора. Но нейтринный детектор невозможно обмануть — он скажет, что реактор стоит.

Оказалось, что эта идея опередила свое время, то есть пока такие детекторы еще не созданы, насколько я знаю. Сейчас идет попытка создать такой детектор, который мог бы регистрировать нейтрино от реактора и давать какие-то параметры реактора, например тепловую мощность, состав ядерного топлива. Это очень важные задачи. Сейчас они решаются системой запретов. МАГАТЭ создает такие условия, что работа ядерного реактора, энергетического, находилась полностью под ее наблюдением. Трудно украсть топливо или сделать что-нибудь подобное.

В 1980-е годы, когда начали интенсивно регистрировать потоки от реакторов, в научном сообществе обсуждалась гипотеза осцилляции нейтрино. Сама регистрация нейтрино и осцилляция нейтрино очень тесно связаны. Понтекорво еще в самом начале, когда нейтрино было открыто, сказал, что нейтрино может превращаться в другой тип частицы. На момент развития нейтринной физики на реакторах было зарегистрировано уже нейтрино от Солнца. Оказалось, что поток нейтрино от Солнца в 3 раза меньше предсказываемого моделями Солнца. Этот процесс был загадкой до конца 1990-х годов, пока не были поставлены дополнительные эксперименты, регистрирующие солнечное нейтрино. И пока не был поставлен эксперимент KamLAND, в 2005 году он получил результат, который полностью подтвердил нейтринные осцилляции от Солнца.

В 1980-е и 1990-е годы поиски осцилляции велись спонтанно. Был предсказан эффект, и все физики, которые вели исследования на реакторах, бросились искать эти осцилляции. Детекторы ставились на разных расстояниях, были разные конструкции детекторов, использовались сцинтилляторы, вода, счетчики. Обычно мы использовали воду как мишень, а счетчики либо ионизационные камеры служили для захвата нейтрона. Он рождался в реакции обратного бета-распада при захвате антинейтрино мишенью. Для такого захвата мишень должна содержать протоны.

Оказалось, что ни в одном из экспериментов осцилляция не была обнаружена. Но все эксперименты ставились довольно близко от реактора, на расстояниях от 8 до 100 метров. Ученые догадались поставить реактор на расстоянии километра, пока осцилляции не были обнаружены. Оказалось так, что эксперимент KamLAND зарегистрировал спектр антинейтрино от реактора, и он оказался не такой, какой регистрировался вблизи. То есть спектр имеет сильный провал, получается такая двугорбая кривая. Это признак осцилляции нейтрино. И параметры осцилляции оказались точно такими, какие требуются для солнечных нейтрино, чтобы мы наблюдали в 3 раза меньший поток, то есть тот, который мы и наблюдаем.

И одновременно был завершен эксперимент в Садбери. Он длился некоторое время, еще до середины 2000-х годов, и он очень четко промерял нейтрино от Солнца. То есть был измерен полностью поток нейтрино, в интегральном виде, был измерен поток отборных нейтрино. Там самый жесткий — нейтрино «гелий-пи», второй по жесткости идет «борный» нейтрино. Был такой порог регистрации, что он регистрировал только «борный» нейтрино. В эксперименте в Садбери было показано, что полный поток нейтрино именно соответствует расчетам солнечной модели. А те нейтрино, которые исчезают из канала регистрации по электронным нейтрино, переходят в мюонный и таонный тип. Они как бы исчезают из потока, но их можно зарегистрировать по реакции рассеяния на электроне, например, что и было проделано в Садбери, и было показано, что полный поток соответствует расчетному.

Оказалось, существует три типа нейтрино, они переходят друг в друга. Долгое время не удавалось зарегистрировать таонный нейтрино. Для этого был специально построен эксперимент в Гран-Сассо, который называется OPERA. И эксперимент зарегистрировал несколько событий с рождением тау-лептона. Пока он проходил, нами с Микаэляном был предложен эксперимент по поиску осцилляции электронных нейтрино в таонные нейтрино, минуя мюонные состояния. То есть самое легкое нейтрино переходит в самое тяжелое. И были поставлены три эксперимента: «Double Chooz» во Франции, эксперимент «RENO» в Корее, эксперимент «Daya Bay» в Китае. Они были поставлены по нашей методике и обнаружили переходы осцилляций электронного антинейтрино в таонные. Таким образом, был измерен последний матричный элемент, матрица смешивания нейтрино, которую ранее не получалось измерить.

Сейчас мы знаем все три угла смешивания нейтрино и можем рассчитать любой поток, как оно переходит из одного типа в другой. Теперь появляется другая задача, кроме чисто фундаментальных задач изучения свойств нейтрино, — использование нейтринных потоков для изучения каких-то объектов, например вспышки сверхновых. Эта вспышка может происходить где-нибудь за туманностью, и мы ее не видим. Но приходит всплеск нейтринного излучения —, а он проходит сквозь любые преграды, — и мы можем зарегистрировать его на Земле. Свет же пробьется через какое-то время, несколько часов или несколько дней. Тогда нейтринная вспышка может указать направление, куда надо повернуть телескопы, и зафиксировать вспышку.

По мере улучшения техники регистрации нейтрино мы можем решить эту задачу. Наконец, очень важная задача — изучение нашей планеты, то есть недр Земли. Мы знаем, как устроена Земля, но послойно, это дает сейсмические методы исследования. Но нам неизвестен состав земных недр. Есть гипотеза Лапласа и геохимия, они утверждают, что состав земного ядра железный. Мы можем при помощи нейтрино исследовать земной состав. Пока эта идея развивается, она еще не нашла своего окончательного решения. В ближайшие 20 лет, я надеюсь, будут созданы детекторы, которые смогут решить эту проблему.