Горизонты научного поиска

Эксперименты с нейтрино на атомных станциях

Нейтрино по сей день остается одной из самых малоизученных частиц в современной физике. И если до сих пор самые большие усилия научной общественности были направлены на поиск бозона Хиггса, то сейчас, в связи с его уже почти подтвержденным открытием, фокус внимания вполне может сместиться на другие не менее загадочные частицы и явления. Что же касается нейтрино, то будучи открытой на "кончике пера" Паули в 1931 году, оно и сейчас слабо поддается детальным исследованиям. Способствуют этому и отсутствие у него электрического и сильного зарядов, и малая величина мультипольных моментов (электрического и магнитного), и исчезающе малая масса и сечение взаимодействия.

Относительно малости сечения, сам Паули, постулировав его существование, признался в письме своему другу Бааде: "Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать этого. Я предложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально". Тем не менее прошло всего лишь двадцать пять лет, и обнаружение нейтрино состоялось. В эксперименте Ф.Райнса и К.Коуэна было продемонстрировано явление обратного бета-распада, инициированного нейтрино, что стало решающим доказательством существования самой этой частицы. А вот дальше все было уже не так просто, и если еще один, также уже ставший классическим, эксперимент Гольдхабера, Гродзинца и Суньяра определил знак его спиральности, остальные свойства нейтрино, включая массу или ее возможное отсутствие, долгое время не поддавались изучению.

Сегодня, благодаря экспериментам по осцилляциям, по крайне мере наличие массы представляется доказанным. Но, к сожалению для науки (и к счастью для экспериментаторов), неизвестных свойств все еще гораздо больше. Так, до сих пор неизвестно, тождественно ли нейтрино собственной античастице или это два различных состояния. Два этих сценария носят названия майорановского и дираковского нейтрино. Неизвестна и сама масса, и даже то, у какого из типов нейтрино она больше и насколько (проблема иерархии).

В настоящий момент только список экспериментов, посвященных изучению нейтрино, может занять не одну страницу, а сами эти эксперименты прочно "оккупировали" многие ведущие лаборатории мира. Но, как и во времена Коуэна и Райнса, зарегистрировать нейтрино достаточно сложно, что незамедлительно подводит нас к следующему выводу - коль скоро нейтрино так слабо взаимодействует со средой, то для того, чтобы в каком-либо из экспериментов набрать достаточное количество статистики, необходимо иметь очень мощный источник таких частиц.

Источники нейтрино в мире можно перечесть по пальцам. Условно их можно разделить на два вида: естественные и искусственные. К первым относятся источники внеземного происхождения, такие как Солнце или вспышки сверх- и гиперновых звезд. В таких гигантских объектах нейтрино рождаются в колоссальных количествах и даже на столь удаленной от них планете, как наша Земля, все еще удается увидеть значительную их часть. Искусственные источники, в свою очередь, также могут быть двух типов: лабораторные (к примеру, ускорители) и связанные с атомной промышленностью, такие как атомные реакторы. Именно последние позволяют проводить исследования без огромного вложения средств, так как, в отличие от ускорителей или сложной химии, используемой для получения мощного лабораторного источника, атомный реактор - коммерческое предприятие, а нейтринное излучение в нем носит сопутствующий и побочный характер.

Наша группа давно занимается экспериментами на Калининской атомной станции. Первым и до недавнего времени основным таким экспериментом был поиск магнитного момента антинейтрино. В данном случае, говоря о мультипольных моментах, важно соблюдать правильную терминологию. Как известно, определенный магнитный момент присущ массовому состоянию нейтрино, а состояние, проявляющее себя во взаимодействии (иначе называемое флейворным), является смесью различных массовых состояний. И хотя наибольший вклад в магнитный момент электронного антинейтрино дает одно из массовых состояний, тем не менее говорить о магнитном моменте электронного нейтрино не совсем корректно. Вдобавок, последнее подразумевает симметрию между нейтрино и его античастицей, что тоже не до конца установлено. Современная теория - Стандартная модель - предполагает, что нейтрино является дираковской частицей, а ее магнитный момент очень мал и не превышает 10^-20 _B. Таким образом, если отличный от нуля магнитный момент будет найден и превысит приведенную выше величину, - это будет прямым указанием на майорановский тип нейтрино.

Как видно из вышесказанного, определение магнитного момента - важная, хотя и достаточно непростая задача. Главная сложность здесь в том, что нейтрино взаимодействует с веществом посредством двух конкурирующих процессов: электромагнитного и слабого, причем первый из них можно сравнить со вторым лишь при достаточно малых энергиях, а также, что оба этих процесса достаточно редки и необходимо изолировать измерительную аппаратуру от паразитного излучения. В нашем случае для регистрации нейтрино был использован детектор из высокочистого германия весом около одного килограмма, изолированный от внешнего излучения. Основу защиты составляли медь и свинец для защиты от гамма-излучения, а также борированный полиэтилен, поглощающий нейтроны. Фон от космического излучения исключался с помощью сцинтилляционных пластин, окружавших установку сверху и с боков. С помощью данной методики нам удалось снизить фон в области интереса как минимум на четыре порядка, а полученное ограничение на магнитный момент нейтрино является лучшим в мире.

В настоящий момент закончена первая фаза эксперимента и начато создание следующей установки - GEMMA-2, которая будет располагаться ближе к активной зоне реактора. В ней используются два детектора вместо одного, а главным отличием от предыдущего эксперимента станет подвижность детектора. Перемещая установку ближе или дальше от центра активной зоны, мы сможем устранить систематическую погрешность, связанную с различием фона при включенном и выключенном реакторе, что в предыдущем случае представляло собой серьезную проблему. Суммируя улучшения, можно надеяться получить ограничение на магнитный момент антинейтрино на уровне 1x10^-11 _B.

В установках подобного рода есть и еще одна сложность. Связана она с неточным знанием потока нейтрино от реактора. Типичный атомный реактор представляет собой, в сущности, тепловую машину, работающую по циклу Карно с КПД порядка 30 процентов. И если средняя электрическая мощность реактора хорошо известна, то динамика его работы, в том числе его мгновенная тепловая мощность, а также учет распределения интенсивности горения по объему представляет собой более сложную задачу. Принципиальным вопросом является и расчет количества нейтрино, приходящихся на один акт распада ядра урана в реакторе, к которому мы еще вернемся.

Для непосредственной регистрации нейтрино от реактора нами была предложена установка DANSS. Используемым в ней методом является уже упомянутый выше обратный бета-распад. В данном случае нейтрино захватывается ядрами водорода и превращает протоны в нейтроны. Получившийся в результате такого захвата позитрон достаточно быстро распадается с испусканием гамма-квантов характеристического излучения с четко определенной энергией 511 кэВ. Что же касается нейтрона, после замедления он возбуждает ядра специально введенного в установку гадолиния по реакции (n,n'), при которой возбуждение получившегося ядра снимается испусканием множества фотонов с граничной энергией до 8 МэВ. При этом характерное время между двумя этими событиями составляет 30-40 мкс, что делает сигнатуру захвата нейтрино очень четкой и позволяет эффективно отсекать сигнал от фона.

Группа GEMMA-DANSS: сплав молодости и опыта.

Установка DANSS будет представлять собой кубометр сегментированного пластического сцинтиллятора, представляющего собой перекрещивающиеся плоскости, составленные из регистрирующих стрипов размерами 2x5x100 мм, в которых в качестве отражателя использован оксид гадолиния. Это позволяет нам использовать достаточно большие его количества без риска ухудшения прозрачности самих сцинтилляторов, что представляет собой большую проблему в случае внедрения гадолиниевых добавок в сам сцинтиллятор. Защита от внешнего излучения похожа на использованную в установке GEMMA с учетом конструктивных особенностей детектора. Благодаря близости к центру активной зоны и размерам установки предполагается регистрировать до нескольких тысяч нейтринных событий в сутки, при соотношении сигнала к фону не менее 20 (что становится возможным благодаря четкой дискриминации событий).

Изначально установка предполагалась к использованию с целями мониторирования процессов, происходящих в ядерном реакторе. В связи с высокой проникающей способностью нейтрино сам реактор и окружающие его материалы являются для него практически прозрачными, что позволяет видеть происходящие в нем явления в "нейтринном свете". А два-три подобных детектора, размещенных в разных местах, позволят провести и нейтринную томографию активной зоны. Ее важность связана с неоднородным выгоранием реакторного топлива, увидеть которое обычными методами не представляется возможным. Знание же процессов расхода топлива позволит сэкономить значительные средства.

И еще одной немаловажной проблемой, в которой может помочь подобная установка, является проблема нераспространения ядерного оружия. Дело в том, что спектр испускаемых нейтрино сильно зависит от состава реакторного топлива. В процессе реакторной компании (горения топлива от одной его перезагрузки до другой) его состав сильно меняется: уран выгорает, а плутоний образуется. Если же из реактора производится выемка оружейного плутония и замена его ураном, это сразу сказывается на спектре нейтрино.

Последним, но, как оказалось, совсем немаловажным применением описанного детектора является изучение полного потока нейтрино от реактора. Как уже упоминалось, количество нейтрино, приходящихся на один распад, с трудом поддается расчетам. Изначально считалось, что главный вклад в этот процесс дают около двадцати главных цепочек распада, а их нормировку можно провести, сравнивая форму расчетного спектра с экспериментальной. Более детальные расчеты, проведенные совсем недавно, показали, что поток нейтрино, рассчитанный ранее, может отличаться от истинного на несколько процентов. Тем не менее проведенные ранее эксперименты не показали столь существенного превышения измеренного потока нейтрино от расчетного.

Это противоречие можно интерпретировать следующим образом - экспериментально измеренный поток нейтрино действительно отличается от теоретического, а значит, не все нейтрино достигают детектора, осциллируя на лету. Указанное превращение не может быть осцилляцией в один из известных типов нейтрино, так как их параметры четко установлены и измерены. Не может это быть и осцилляцией в какой-то другой активный тип нейтрино, так как количество типов нейтрино также известно с очень хорошей точностью. Лишь переход нейтрино в новый, невзаимодействующий тип, так называемое стерильное нейтрино, мог бы объяснить всю совокупность данных. В ближайшее время практически единственной установкой, на которой можно проверить данную гипотезу, и является детектор DANSS. Другие варианты предполагают либо создание детектора с нуля, либо производство мощного источника нейтрино, которое связано с уже упоминавшимися выше трудностями.

Эксперименты с нейтрино на атомных станциях - в настоящее время одно из самых перспективных направлений физики частиц. Они не требуют многомиллионных вложений и решают заманчивые экспериментальные задачи, простирающиеся от астрофизики до прикладных исследований, бросают вызов опытным специалистам и способствуют привлечению в науку молодых и амбициозных физиков.

Вячеслав ЕГОРОВ, Марк ШИРЧЕНКО