Выступая в прошлый понедельник с лекцией в ProScience-Театре, физик Михаил Данилов упомянул в качестве примера эксперимента, который может открыть дорогу в новую физику за пределами Стандартной модели, эксперимент по поиску так называемых «стерильных нейтрино», который сейчас проводится на Калининской АЭС.
Эксперимент был начат в марте этого года специалистами из Института теоретической и экспериментальной физики, Объединенного института ядерных исследований в Дубне и Калининской АЭС. Разработанный для него нейтринный детектор DANSS будет служить для диагностики состояния реактора электростанции. Первые результаты исследования ученые рассчитывают получить уже этим летом.
Почти каждый популярный рассказ о нейтрино начинается с одной цитаты. Не будет исключением и этот. После того, как Вольфганг Паули теоретически предсказал существование нейтрино, он признавался в одном из писем: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать этого. Я предложил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». Действительно казалось, что нейтрино не удастся обнаружить, так как эти частицы почти не взаимодействуют с другими (пока вы читали предыдущее предложение, сквозь вас пролетело не менее квадриллиона нейтрино). Нейтрино участвуют лишь в так называемом слабом взаимодействии и совсем чуть-чуть – в гравитационном (масса нейтрино крайне мала).
Однако прошло не так уж много лет, и физики научили обнаруживать нейтрино, прилетающие к нам из далекого космоса, возникающие на Солнце, в земной атмосфере или в ядерных реакторах. Они узнали, что в тех редких случаях, когда нейтрино все-таки вступает во взаимодействие, могут рождаться частицы трех типов: электроны, мюоны или тау-лептоны. Поэтому нейтрино тоже разделили на три типа, соответственно, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Для каждого типа нейтрино существует антинейтрино. Физики также установили, что нейтрино разных типов могут превращаться друг в друга. За экспериментальное подтверждение этого явления, названного нейтринными осцилляциями, в 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике (подробнее об этом рассказано в очерках «Метаморфозы нейтрино» и «Нейтрино меняет маски»).
В 1990 году в Лос-Аламосской лаборатории, наблюдая за нейтринными осцилляциями на установке Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), исследователи обнаружили, что в них участвуют не три, а четыре типа нейтрино. При этом предположительно, нейтрино четвертого типа не вступали даже в слабое взаимодействие. Новое подтверждение существования этого типа нейтрино было получено в эксперименте MiniBooNE, проведенном Национальной ускорительной лабораторией имени Энрико Ферми в США. В 2010 году полученные результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters. В обоих случаях эксперименты проводились с антинейтрино. Попытка в Фермилабе получить такой же эффект с нейтрино не дала эффекта, что само по себе примечательно, так как нарушает симметрию свойств частицы и античастицы.
Из-за своего неучастия в слабом взаимодействии нейтрино нового типа получили название «стерильные нейтрино». Это весьма осложняет поиски стерильных нейтрино, ведь ни в электромагнитное, ни в сильное взаимодействие они тем более вступают. Остается только гравитационное, но и его воздействие на нейтрино невелико. Но этот же факт делает открытие стерильных нейтрино весьма интересным. Масса их, хоть и весьма малая, все-таки больше, чем у тау-нейтрино, и можно предположить, что в масштабах Вселенной именно стерильные нейтрино ответственны за наличие темной материи, которая составляет около 22 % нашего мира.
Таким образом, стерильные нейтрино можно найти только в результате анализа нейтринных осцилляций. В 2010-х годах стало известно о наблюдениях на нескольких реакторах, указывающих на существование стерильных нейтрино. Физики определили, что выход нейтрино, порождаемых реакторами, оказался несколько ниже, чем это ожидалось бы по предсказаниям Стандартной теории, предусматривающей нейтрино трех типов. Был обнаружен недостаток электронных антинейтрино, как раз тех, из которых, по предположению ученых, могут возникать стерильные нейтрино. Совсем недавно, в мае 2016 года, нейтринная лаборатория IceCube на Южном полюсе опубликовала результаты своих наблюдений, которые позволили уточнить требования к массе гипотетических стерильных нейтрино.
Строение детектора DANSS
Нейтринный детектор DANSS, созданный физиками из ОИЯИ и ИТЭФ, основан на кремниевых фотоумножителях, которые будут регистрировать поток нейтрино, исходящий из реактора Калининской АЭС. Детектор определяет нейтрино по реакции обратного бета-распада. В нем нейтрино, попав в ядро атома водорода, вызывает превращение протона в нейтрон с выделением позитрона:
ν̄e + p → n + e+
Возникший позитрон распадается, испуская гамма-кванты с энергией 511 кэВ. А нейтрон попадая в ядра атомов гадолиния возбуждает их, вследствие чего они испускают фотоны с энергией до 8 МэВ. Распад позитрона и излучение возбужденных ядер гадолиния следуют друг за другом через 30-40 мкс, что позволяет точно отделять воздействие нейтрино на детектор от других событий.
Роль детектора весьма важна: он позволит “заглянуть” в активную зону реактора, так как по количеству рождающихся в нем нейтрино можно определить его состояние, например, узнать равномерно ли выгорает в реакторе ядерное топливо, сколько урана распалось, сколько плутония образовалось, определить участки с максимальным энерговыделением. Нейтринный детектор предоставляет уникальную возможность следить за реактором во время работы, ведь обычные датчики снаружи не смогут ничего определить из-за слоев защиты реактора. Но для нейтрино нет препятствий. Одновременно в данных о вылетающих нейтрино ученые ищут следы нейтринных осцилляций, которые указывали бы на появление стерильных нейтрино.
