В октябре 2018 года в журнале Nature были опубликованы итоги десяти лет работы нейтринной обсерватории Борексино.Нейтрино — легкие, не имеющие заряда и слабовзаимодействующие с веществом элементарные частицы, которые возникают при распадах и в других ядерных процессах и способны путешествовать на очень большие расстояния. Существование этих частиц предсказал Вольфганг Паули в 1930 году. «Поймать» нейтрино оказалось очень сложно: на них не действуют сильные ядерные взаимодействия и электромагнетизм. Кроме того, они обладают очень высокой проникающей способностью.

По энергетическому спектру нейтрино можно установить, какие процессы происходят в том или ином удаленном объекте, — это одна из задач нейтринной астрофизики. Единственный способ зафиксировать хотя бы одну такую частицу — подставить огромный детектор под большой поток нейтрино. Рассказываем о нескольких важнейших нейтринных телескопах.

IceCube

Крупнейшая на сегодня нейтринная обсерватория расположена на антарктической станции Амундсен-Скотт, в толще льда на глубине от 1450 до 2450 метров. Детектор фиксирует черенковское излучение мюонов — вторичных частиц, образующихся при взаимодействии космических нейтрино со льдом: его рабочее вещество составляет один кубический километр льда. Установка состоит из 86 прочных «гирлянд» с прикрепленными оптическими детекторами (фотоумножителями, или ФЭУ) — по 60 фотоэлементов на каждой. Цепочки расположены на расстоянии 125 метров друг от друга. Небольшая область в центре детектора оборудована более плотно, формируя установку Deep Core, а над установкой расположен датчик космических лучей IceTop — он позволяет отличить одиночные космические нейтрино от частиц, сформированных в атмосфере, фиксируя в последнем случае поток вторичных частиц. Ранее на том же месте работал прототип IceCube — детектор AMANDA. Он был сооружен в начале 2000-х и прекратил работу в 2009 году, уступив место более мощному «Ледяному кубу», установка которого завершилась в 2010 году.

В 2013 году детектор впервые обнаружил космические нейтрино. А в сентябре 2017 года IceCube зафиксировал след от нейтрино очень высокой энергии в сотни ТэВ, — по всей видимости, частица прилетела из далекого космоса. «Родителем этой частицы» был так называемый блазар TXS 0506+056 — активное ядро эллиптической галактики с релятивистскими джетами, один из которых направлен точно в сторону Млечного Пути. Это событие помогает уточнить природу процессов, происходящих в ядрах галактик. Возможно, джеты блазаров являются источниками самых быстрых заряженных частиц, путешествующих по нынешней Вселенной.

О роли нейтрино в космологии

Рекомендуем по этой теме:
5614
Нейтрино и антинейтрино

Борексино

Это сверхчувствительный инструмент, созданный для изучения солнечных нейтрино. Он регистрирует нейтрино от Солнца в реакции рассеяния на электронах в жидком органическом сцинтилляторе общей массой 300 тонн. Одно из главных преимуществ Борексино — отсутствие радиоактивных примесей. В результате бета-распадов, происходящих в конструкционных материалах многих детекторов и сцинтилляторе, образуются электроны, и отличить эти электроны от тех, которые образуются в результате рассеяния нейтрино, невозможно. Детектор Борексино был создан из сверхчистых материалов, и на нем используются продвинутые технологии по очистке жидкости. Благодаря этому он оказался способен зарегистрировать нейтрино от четырех из пяти реакций протон-протонной цепочки на Солнце. На основании этих данных ученые смогли прорисовать поведение кривой вероятности выживания нейтрино, которое зависит от энергии. Такая кривая позволяет физикам подтвердить или опровергнуть определенные теоретические модели.

Борексино смог измерить годовую вариацию бериллиевых нейтрино, которая связана с эллиптичностью земной орбиты и неравномерностью потока этих частиц в зависимости от сезона. Эта вариация очень мала. Точность измерения потока бериллиевых нейтрино от Солнца составила рекордные 2,7%, что в два раза лучше, чем существующие теоретические предсказания. Кроме того, детектор измерил поток pp-нейтрино, энергия которых очень низка. Благодаря этому ученые смогли определить светимость Солнца, которая, как правило, определяется по фотонам. Одно из последних открытий этой точнейшей установки — свидетельство в пользу высокой концентрации тяжелых элементов на Солнце.

О результатах эксперимента Борексино

О загадке солнечных нейтрино

«Супер-Камиоканде»

Этот детектор представляет собой гигантский нержавеющий стальной цилиндр, заполненный 50 тысячами тонн специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены почти 13 000 ФЭУ, которые отслеживают черенковское излучение от торможения порожденных нейтрино мюонов в воде.

На «Супер-Камиоканде» работал японский физик Такааки Кадзита, ставший лауреатом Нобелевской премии 2015 года благодаря подтверждению существования нейтринных осцилляций. Существует три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Предполагалось, что электронные нейтрино, рожденные на Солнце, превращаются в мюонные и тау-нейтрино — этот процесс называется нейтринной осцилляцией. Наличие осцилляций означает, что нейтрино имеют ненулевую массу, а это позволяет объяснить асимметрию между материей и антиматерией.

Об осцилляции нейтрино

SNO и SNO+

Обсерватория SNO была расположена в Садбери (Канада) на глубине 2 километра под землей в шахте Крейгтон. Нейтринный детектор был запущен в мае 1999 и был отключен в ноябре 2006 года. Сейчас ведется переоборудование детектора под эксперимент SNO+. Директор эксперимента SNO Артур МакДональд вместе с Кадзитой был награжден Нобелевской премией в 2015 году.

Главной задачей детектора SNO+ является поиск нейтринного нестационарного двойного бета-распада, особенно в отношении теллура-130. Данные многих измерений свидетельствуют в пользу того, что нейтрино не является майорановским фермионом, то есть собственной античастицей. Задача эксперимента SNO+ — увеличить точность этих измерений. Кроме того, детектор будет измерять нейтрино и антинейтрино в СNO-циклах внутри Солнца. Это термоядерная реакция превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Существование этих циклов было предсказано в конце 1930-х годов, но экспериментальное подтверждение так и не было получено. Как принято считать, CNO-циклы протекают в более горячих звездах, чем Солнце: на нашей звезде такие процессы могут существовать лишь в 1% случаев. И если нейтрино от CNO-цикла удастся зафиксировать, это стало бы прямым доказательством протекания CNO-цикла в звездах. Кроме того, планируется измерять нейтрино, возникшие после взрывов сверхновых.

О майорановских частицах

Рекомендуем по этой теме:
8589
Лептоны и нейтрино

Байкальский подводный нейтринный телескоп и KM3NeT

Эта установка пока только в процессе сборки. В 2015 году на Байкале развернут первый кластер, содержащий восемь гирлянд, на которых находится 192 оптических модуля объемом порядка 20 мегатонн. В мае 2018 года был развернут третий кластер телескопа — всего их к концу первого этапа будет более десяти. Первый этап строительства обсерватории планируется завершить в начале 2020 года. Объем детектора будет сравним с крупнейшим на сегодняшний момент детектором нейтрино IceCube. Второй этап строительства расширит число кластеров до двадцати семи.

В Средиземном море также строится крупная установка — KM3NeT. Она создается на основе детектора ANTARES, запущенного в 2008 году. Первый эксперимент ARCA планируется запустить в конце 2019 года. «Байкал», KM3NeT и IceCube, расположенные в разных полушариях, планируется объединить в Глобальную нейтринную обсерваторию, которая будет собирать и объединять данные со всех трех установок для совместного анализа и исследования природных потоков нейтрино.

Об устройстве нейтринных телескопов и Глобальной обсерватории