Горизонты научного поиска

О детекторе Borexino и престижной премии

Руководитель группы Borexino в ОИЯИ Олег Смирнов
о присуждении премии Европейского физического общества
имени Джузеппе и Ванны Коккони

"Иголка в яйце, яйцо в утке, утка в зайце, заяц в сундуке" - такая ассоциация из сказки возникает, когда представляешь себе устройство детектора эксперимента Borexino. Почти 300 тонн жидкого сцинтиллятора заключено в сферу из нейлона радиусом 4 метра, а она окружена стальной сферой радиусом 8,5 метров. Между сферой и нейлоновым мешком находится около 700 тонн буферной жидкости. Вся конструкция погружена в бак, содержащий 2,5 тысяч тонн сверхчистой воды, а сам детектор защищен огромным итальянским горным массивом Гран-Сассо.

Для чего же нужен этот детектор, что изучает и за какие исследования коллаборация Borexino недавно получила престижную премию имени Джузеппе и Ванны Коккони? Об этом мы побеседовали с Олегом Юрьевичем Смирновым, старшим научным сотрудником ЛЯП, руководителем группы Borexino в ОИЯИ.

Премия имени Коккони вручается один раз в два года за выдающийся экспериментальный, теоретический или технологический вклад в астрофизику частиц и космологию. Это шестое присуждение премии за ее историю. В 2017 году Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш получили Нобелевскую премию по физике всего через несколько месяцев после присуждения им премии супругов Коккони. Нобелевскую премию получил в 2015 году и Артур Макдональд, премии Коккони он был удостоен за два года до этого.

И вот - присуждение премии ученым коллаборации Borexino. В чем же значение исследований? Какие результаты получены?

Идея эксперимента зародилась в далеком 1988 году. Солнечные нейтрино, проходя сквозь сверхчистую жидкость - сцинтиллятор, могут быть зарегистрированы по вспышкам света, сопровождающим взаимодействия нейтрино с веществом. Чтобы "увидеть" эти слабые вспышки света, требуется полностью избавиться от всевозможной радиации как внутри, так и снаружи детектора, иначе детектор будет "светиться" сам по себе. Изначально планировалось использовать в качестве сцинтиллятора борсодержащую жидкость и среди прочих регистрировать "борные" нейтрино, испускаемые в результате соответствующей реакции на Солнце за счет реакций на боре. Отсюда и название Borexino: BorEx - "борный эксперимент". Первый амбициозный проект детектора предполагал использование 50 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора в качестве мишени для нейтрино. Поскольку реализация такого проекта чрезвычайно трудоемка, было решено остановиться на детекторе с меньшей массой. Сегодня в установке лишь 300 тонн жидкого сцинтиллятора, поэтому в названии эксперимента появился уменьшительный суффикс "-ino". Позднее решили отказаться от использования достаточно опасной жидкости с бором и переключились на использование в качестве сцинтиллятора псевдокумола (для химиков: 1,2,4-триметилбензол, молекула по строению похожа на обычный бензин), но название эксперимента уже прижилось и менять его не стали. Основной задачей эксперимента осталась регистрация солнечных моноэнергетичных нейтрино из реакции на бериллии (бериллиевые нейтрино).

Для реализации эксперимента требуется чрезвычайно чистая среда, практически свободная от любых радиоактивных примесей. Ожидаемый счет нейтринных событий составляет всего 50 событий в сутки на 100 тонн мишени. Для сравнения, в обычной питьевой воде радиоактивность дает до 1 распада в секунду на литр. В пересчете на 100 тонн это составит около 100 миллиардов событий в сутки. Таким образом, обычная питьевая вода, которую никто не назовет радиоактивной, с точки зрения эксперимента Borexino является крайне радиоактивной средой. На момент, когда предлагался проект детектора, было неизвестно, удастся ли достичь необходимой степени очистки сцинтиллятора. В 1995 году был запущен четырехтонный прототип детектора CTF, на котором продемонстрирована принципиальная возможность очистки сцинтиллятора и создания более масштабной установки. CTF использовался до 2011 года в качестве сверхчувствительного прибора для проверки уровней радиоактивности в жидком сцинтилляторе. Детектор Borexino, запущенный в 2007 году, работает до сих пор. Срок от замысла до исполнения долгий, но и идея была сложной. В итоге при ее реализации сделать удалось гораздо больше, чем задумывалось изначально.

Вместе с Олегом Юрьевичем Смирновым разбираемся, как устроен детектор Borexino.

Сказочный "cундук" - это огромный горный массив Гран-Сассо в Италии, где в 1982 году параллельно с прокладкой автомобильного туннеля началось строительство крупнейшей в мире подземной лаборатории. Она предназначалась для физических экспериментов, требующих серьезной защиты от космических лучей. В одном из трех залов лаборатории Гран-Сассо и расположился детектор Borexino. Толща скальных пород более одного километра защищает детектор от потоков космических частиц и при этом не является источником радиации, как это бывает, например, с гранитом. Слой высокоочищенной воды и псевдокумоловый буфер в детекторе служат дополнительным экраном от гамма-радиации и нейтронов из окружающей среды и материалов детектора. Все элементы конструкции проверялись на содержание радиоактивности, по возможности отбирались материалы с минимальным ее содержанием. Общий принцип, реализованный в детекторе: чем ближе к центру, тем чище материалы.

В воду погружена стальная сфера, на которой установлены 2200 фотоумножителей, просматривающих заключенный в нейлоновую сферу сцинтиллятор. Благодаря анализу времен прихода сигналов с отдельных фотоумножителей можно определить точку взаимодействия в детекторе. Эта информация позволяет использовать внешний слой сцинтиллятора как защиту от радиоактивности, хотя и незначительной в сравнении с используемым в быту нейлоном, но, тем не менее, присутствующей в мешке. В конечном счете в анализе данных используется только область радиусом 3 метра с массой около 100 тонн, вся остальная конструкция призвана обеспечивать защиту от разных видов радиоактивности. Можно смело утверждать, что центральная часть детектора Borexino является самым "чистым" местом на Земле с точки зрения радиоактивности.

Такое устройство детектора гарантирует, что сквозь слои защиты до рабочего объема сцинтиллятора доберутся только нейтрино, обладающие невероятной проникающей способностью. А значит, можно вести высокоточные измерения нейтринных потоков и исследовать другие редкие процессы.

Что удалось сделать за годы эксперимента?

Физики изучили поток "бериллиевых" нейтрино от Солнца, исследовали сезонные и суточные вариации потоков нейтрино. Сезонные изменения потока нейтрино возникают за счет разного расстояния до Солнца зимой и летом и хорошо видны в данных Borexino, подтверждая солнечное происхождение сигнала. Суточные вариации потока могли бы быть связаны с прохождением нейтрино через Землю по ночам, но они не наблюдались, как и должно быть в соответствии с современными данными о физике нейтрино. Оба измерения предусматривались изначальной программой. Сверх программы был выполнен ряд измерений, включающих определение потоков практически всех нейтрино из цепи pp-реакций, в том числе и "борных" нейтрино. Впервые "увидели" нейтрино из рр-реакции - альтернативного начала реакций pp-цепи. Проверили стабильность электронов. Получили сильные ограничения на допустимый магнитный момент солнечных нейтрино. Изучали другие редкие процессы, например впервые подтвердили испускание антинейтрино земными породами (геонейтрино).

Данные исследований указали на более высокую правдоподобность модели Солнца с высокой концентрацией элементов тяжелее гелия в сравнении с альтернативной моделью, что является важным шагом в изучении вопроса химического состава Солнца, или так называемой "металличности Солнца" (астрофизики называют "металлами" элементы тяжелее гелия).

И, наконец, ученые измерили поток нейтрино из углеродно-азотного цикла. В 2020 году в журнале Nature (https://www.nature.com/articles/s41586-020-2934-0) были представлены результаты этих измерений. Они не могли быть не замечены научной общественностью, и присуждение премии - закономерный итог исследований.

Олег Юрьевич рассказал и о роли группы ОИЯИ в эксперименте: "Когда эксперимент только начинался, зоной ответственности дубненских физиков были фотоумножители и система сбора данных для прототипа детектора. Каждый из 2200 приборов прошел через руки наших тестировщиков. Была проделана большая работа: в Гран-Сассо для тестирования фотоумножителей оборудована "темная комната", изучены эксплуатационные характеристики этих приборов, - объяснил он. - Во время работы на детекторе CTF наши ученые переключились на физические задачи: силами дубненской группы подготовлен ряд статей по результатам поиска редких процессов в данных CTF. После запуска детектора Borexino группа из ЛЯП внесла заметный вклад в решение основной задачи эксперимента: выделение взаимодействий бериллиевых нейтрино из потока данных. Помимо этого наши ученые принимали активное участие в других работах по анализу данных, прежде всего в измерении потока pp-нейтрино и в поиске редких процессов, в том числе распада электрона и взаимодействий за счет магнитного момента нейтрино. Работа по анализу данных продолжается. В планах улучшение ряда результатов по полному набору доступных данных".

Какое будущее ждет Borexino?

Работа детектора должна закончиться в обозримом будущем. Одна из причин - выступления местных "зеленых", которые считают эксперимент потенциально опасным для окружающей среды из-за токсичности используемого жидкого сцинтиллятора. Опасаются даже радиации, хотя как раз в этом плане детектор безопасен.

Детектор планируется "выключить" 1 сентября 2021 года, хотя пандемия все еще может внести свои коррективы: сроки работ по его демонтажу неоднократно переносились. Остановка детектора не означает окончание эксперимента: уже набранные и набираемые сейчас данные будут обрабатываться в течение следующих лет. А значит, ученых ждут новые результаты и новые выводы.

Вручение премии состоится 26 июля. Поздравляем коллег с высокой оценкой их работы и желаем дальнейших успехов в научной работе!

Материал подготовлен группой научных коммуникаций
Лаборатории ядерных проблем