На днях ряд европейских исследовательских организаций принял согласованное решение отменить эксперимент SOX по регистрации нейтрино на короткой базе (Short distance neutrino Oscillations with boreXino) [1]. Эксперимент планировалось провести в Италии в подземной лаборатории Гран-Сассо (в туннеле под горным хребтом неподалеку от Рима).
Основой эксперимента должен был послужить давно действующий нейтринный детектор Borexino, разработанный в первую очередь для регистрации солнечных нейтрино. Второй составляющей эксперимента по замыслу должен был стать интенсивный источник нейтрино, в первом варианте — радиоактивный церий-144, распадающийся с испусканием антинейтрино. Источник предполагалось расположить всего в восьми метрах от детектора — в особой полости под ним, предусмотренной специально для этой цели. Собственно, этот источник и был главной и наиболее дорогой составляющей нового эксперимента (детектор работал с 2007 году).
Смысл эксперимента SOX
С сайта www.staff.uni-mainz.de
Большинство экспериментов, так или иначе, остается в рамках известной физики и служит ее уточнению. Данный эксперимент был посвящен поиску новой фундаментальной сущности — стерильного нейтрино (sterile neutrino).
Напомню, что согласно Стандартной модели существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау). Они смешиваются между собой, то есть в пространстве летают не отдельные типы нейтрино, а их комбинации. Но взаимодействуют с веществом не комбинации, а определенные типы нейтрино. Такой вот парадокс квантовой механики, который приводит к осцилляциям частиц: родился один тип нейтрино, а в полете перешел в другой или в третий — родилось электронное нейтрино, а провзаимодействовало как мюонное или тау-нейтрино. Поэтому, когда стали регистрировать солнечные нейтрино, обнаружилась серьезная недостача: поток нейтрино оказался намного меньше того, что предсказывалось исходя из светимости Солнца.
С тех пор поставлено много экспериментов по осцилляциям нейтрино, измерены их параметры (разности квадратов масс и углы смешивания). Эксперименты достаточно разнообразны, и регистрируются нейтрино разного происхождения: реакторные, ускорительные, солнечные и атмосферные.
В принципе, эффект нейтринных осцилляций можно было бы назвать неплохо изученным, но при повышении точности стали проявляться так называемые нейтринные аномалии. Они были замечены в нескольких экспериментах, в частности, в Лос-Аламосской национальной лаборатории и в Фермилабе (США) — нейтрино, полученные на ускорителе; в галлиевых экспериментах — итальянском GALLEX и российско-американском SAGE на Баксане — нейтрино от радиоактивного источника хром-51, а также в эксперименте на реакторных нейтрино. Все перечисленные отклонения не очень убедительны в плане статистики (до трех сигм), но все они могли бы быть объяснены дополнительным нейтрино, участвующим в осцилляциях трех известных типов.
Существование нового гипотетического типа нейтрино обсуждается давно. Этот дополнительный тип не должен взаимодействовать с веществом, как это делают три типа активных нейтрино, иначе его бы увидели. Поэтому его называют «стерильным». Эксперимент SOX по замыслу должен был расставить точки над i — либо подтвердить, либо опровергнуть вышеперечисленные нейтринные аномалии, для этого у него по замыслу должно было бы хватить чувствительности, и, что важно, была возможность расположить источник нейтрино очень близко к детектору и даже внутри него. Последнее важно потому, что позволило бы напрямую увидеть осцилляции с новым типом нейтрино, которые, скорее всего, происходят на короткой дистанции. Если бы эксперимент подтвердил существование нейтринных аномалий, он бы фактически открыл стерильное нейтрино, выходящее за рамки Стандартной модели частиц. Это то, что называется «новой физикой».
Экспериментальная установка
Детектор Borexino — большой бак с очень чистым сцинтиллятором. Название связано с солнечным борным циклом, испускающим наиболее энергичные нейтрино. Оно устарело, так как связано с первой версией детектора, тогда как нынешняя регистрирует не только борные нейтрино, но и нейтрино от остальных термоядерных циклов, причем в спектре видны вклады разных циклов по отдельности. Рабочий объем — 315 м3. Сцинтиллятор просматривается фотоумножителями, расположенными на стенках. Порог чувствительности по энергии нейтрино около 200 кэВ. Эксперимент впервые зарегистрировал геофизические нейтрино от распада урана и тория в толще Земли.
Вторая часть эксперимента — источник. Выбранный источник, Ce-144, не единственный возможный вариант (хотя наиболее удобный), но ставка была сделана именно на него. Радиоактивный изотоп должен был быть упакован в компактный толстостенный контейнер из стали и вольфрама, полностью поглощающий гамма-излучение.
Где взять церий-144?
Церий-144 можно было получить только из отработанного топлива атомных электростанций. Но налаженной процедуры его извлечения не существует. Видимо, поэтому не нашлось желающих взяться за эту задачу, когда французский Комиссариат по атомной энергии объявил тендер на производство церия-144 в количестве, необходимом для эксперимента. Откликнулся лишь один подрядчик — «Маяк». Насколько нам известно, руководство «Маяка» согласилось далеко не сразу. Наши физики (а в команду SOX входят группы из Дубны, Курчатовского института, МГУ и ИТЭФ) уговорили представителей «Маяка» взяться за эту новаторскую и рискованную задачу. В конце концов, это благородное решение вышло «Маяку» боком. Заказ выполнить не удалось из-за технических проблем, предприятие было вовлечено в скандал с выбросом рутения, возникло подозрение, что выброс связан именно с подрядом по церию. Очень не хотелось бы, чтобы это стало последней попыткой «Маяка» и других предприятий по переработке отработавшего ядерного топлива выполнить заказ физиков, связанный с радиоактивными источниками.
В ходе подготовки к эксперименту возникла еще одна проблема. Местные органы власти запретили ввоз источника на территорию провинции Абруццо, где находится лаборатория. Это решение было принято под давлением зеленых. Никакие разъяснения, что толстостенный контейнер из стали и вольфрама невскрываем и практически неразрушим, не помогали. На Change.org была запущена петиция в адрес президента провинции Абруццо с просьбой отменить запрет, ее подписали 45 тыс. человек, включая многих наших граждан, включая автора данной статьи [2]. Но необходимость во ввозе контейнера, увы, отпала. Навсегда?
Перспективы и проблемы
Когда-нибудь эксперимент с нейтрино на короткой базе все-таки будет проведен. Есть несколько других вариантов как по месту проведения, так и по типу источника нейтрино. В частности, планируется провести такой эксперимент у нас на Баксане с давно действующим галлий-германиевым детектором.
Планируется еще один эксперимент в той же подземной лаборатории в Гран-Сассо, но с другим детектором. Рано или поздно точка над i будет поставлена, но по дороге придется преодолевать не только технические, но и гуманитарные проблемы. Радиофобия возникла не на пустом месте — на нашей памяти были и крупные аварии, и жертвы, связанные с радиацией, хотя количество этих жертв пренебрежимо мало с потерями, например, от автомобильных аварий или химических загрязнений. Проблема в том, что радиофобия иррациональна и потому плохо поддается лечению. Тут один рецепт — просвещать, быть открытыми перед обществом и ни в коем случае ему не врать.
Борис Штерн,
вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН, главред ТрВ—Наука
1. www.lngs.infn.it/en/news/sox-project-is-cancelled-february-1-2018
Жителей Абруццо можно понять — там не издается газета класса «ТрВ» и вообще плохо поставлена научно-разъяснительная работа. Труднее понять название «стерильное нейтрино» — какое-то оно унылое. Раз уж ни с чем не взаимодействует, то и назвать следовало в привычном стиле: «темное нейтрино».
Случайно прочитал в «Химии и Жизни» статью про эксперименты с антиводородом, о чём вообще даже не слышал, и стало мне непонятно, почему «Троицкий вариант» никогда не упоминал о таких интересных вещах.
Я давным давно на Эхе рассказывал про антиводород https://echo.msk.ru/programs/they/727875-echo/
А в ТрВ да, упустили
Мы поминали о том, например, что антиводород получен. Но подробно не писали.
И о изучении химических свойств сверхтяжелых элементов поминали
https://trv-science.ru/2010/04/13/sintezirovan-117-j-element-tablicy-mendeleeva/
Но опять же без подробностей.
«Этот дополнительный тип не должен взаимодействовать с веществом, как это делают три типа активных нейтрино, иначе его бы увидели. Поэтому его называют «стерильным». » Есть три поколения частиц, описываемых полями Янга-Миллса. Три типа нейтрино под эти поколения как раз походят. Полевой, четвёртой частицей можно считать бозон Хиггса, который распадается на бозоны со спином 1. Поэтому, мало вероятно, что существует отдельная четвёртая частица нейтрино-стерильное. Хотя его можно составить из известных ароматов нейтрино с противоположными спинами, при этом это будет конструкция типа куперовских пар электронов, существующая при низких энергиях.
Удивительно, почему в качестве источника нейтрино не выбрали калий-40.
Это был бы наилучший выбор по разным соображениям, на любой вкус. :)
Две возможности регистрировать, два канала распада – один на 89% дает антинейтрино, второй на 11% — нейтрино.
Экологически безопасен, это единственный радиоактивный изотоп, совместимый с человеком. Причем, организм человека его очень ценит, прячет в самом защищенном месте – костном мозге – органе кроветворения.
Доступный и дешевый. В России есть Верхнекамское месторождение калийных солей, второе по запасам в мире, рядом с городом Березники, сравнительно недалеко от знаменитого пермского треугольника, содержит ~ 50 млрд тонн калия, это ~ 6 млн тонн калия-40.
Для эксперимента SOX, для начала, попробовать, достаточно 45 тонн металлического калия-40 или 26 тонн в виде гидрида. Это ~ 10 TBq.
Владимир, проблема в том, что источник должен обладать размерами порядка 10 см и активностью около 6e15 Бк. Зная, что в грамме калия происходит 30 распадов калия-40 в секунду, легко подсчитать, что для такой активности нужно примерно 200 млн тонн природного калия (2е14 грамм). А самое печальное, что энергия антинейтрино калия-40 не дотягивает до порогового значения 1.8 МэВ, позволяющего регистрировать антинейтрино на реакции обратного бета-распада (захват протоном антинейтрино с вылетом нейтрона и позитрона), под которую и был «заточен» проект.
Kapitan, спасибо за разъяснения, уже по нику чувствуется незаурядная эрудиция. Из перечисленных требований к источнику мне самым серьезным показалось сочетание размера и интенсивности.
Судя по тому, как оценивают порог 1.8 МэВ – это, похоже, оценка сверху и не исключено, что оценка снизу ~ 1.2 МэВ. А вообще, проблема детектирования редких событий – интереснейшая. Опыт и наблюдения показывают – удачный детектор, тот, в котором редкое и слабое событие запускает каталитический лавинный процесс. :)
С нейтрино связана интересная зрительная иллюзия: если посмотреть на три расположенных рядом эмиссионных спектра – рентгеновский, гамма- и бета-излучения, то броситься в глаза их практически идентичная форма – на фоне сплошного излучения а ля кривая Планка черного тела видны узкие выплески «характеристических» рентгеновских и гамма-квантов и бета-частиц, соответственно. Сплошное рентгеновское и гамма-излучение порождается торможением свободных электронов, пересекающих внешнее электростатическое поле ядер атомов, его и называют тормозным и для него есть устоявшиеся теоретические модели. А вот сплошное бета-излучение, кроме красивой идеи о сопутствующем «зеркальном» сплошном нейтрино-излучении, устоявшихся теоретических моделей не имеет, по крайней мере, таких же популярных, как для тормозного рентгеновского и гамма-излучения. Ясно, что это внутриядерный «тормозной» процесс и есть шанс, что мы научимся им управлять, ведь сумели же сделать рентгеновскую трубку и синхротрон, почему бы не сделать и нейтринотрон. В общем, как всегда – счастье своими руками. :)
Как известно, нейтрино придумал Вольфганг Паули для объяснения непрерывного, недискретного характера спектра электронов, порождаемых бета-распадом. А если бы ему на глаза попался, например, спектр термоэлектронов, испускаемых вольфрамом и неотличимый по виду от бета-распадного – увидел бы он нейтрино в термоэлектронной эмиссии? Интересно :)
Спектр термоэлектронов вольфрама можно увидеть здесь
https://phys-el.spbstu.ru/media/ustinov/ion/Thermionic_emission_tutorial.pdf
Рис.2.8.1. Распределение термоэлектронов по полным энергиям.
Случайно заглянул и заметил, что ссылка перестала работать. Поэтому даю библиографическую ссылку — Владимиров Г.Г. Физическая электроника. Часть 1. Термоэлектронная эмиссия (2007). В ней указан первоисточник данных для рис.2.8.1. — Velocity Analysis of Thermionic Emission from Single-Crystal Tungsten. Andrew R. Hutson. Phys. Rev. 98, 889 – Published 15 May 1955 https://pdfs.semanticscholar.org/cae4/35dd88aee3cd7a9fb96578c170aee9975dcc.pdf
Кстати, физической моделью радиоактивного бета-излучателя может быть рентгеновская трубка – её нетрудно модифицировать так, чтобы она была источником и рентгеновского излучения и бета-частиц. Непрерывный спектр тормозного рентгеновского излучения такой трубки будет сопровождаться непрерывным спектром бета-частиц, а спектр бета-частиц, в свою очередь, зеркальным ему непрерывным спектром антинейтрино — в соответствии с гипотезой Вольфганга Паули. Если такую трубку спрятать в черный ящик и подвести к нему ядерщика с дозиметром, то он скажет, что в ящике радиоактивный долгоживущий бета-излучатель. :) Если не гнаться за полным подобием, то, например, лампа накаливания тоже сойдет за бета-излучатель. Из закона сохранения энергии следует, что спектр антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов. Nν(E) = Ne(Qβ – E), где Nν(E) − число антинейтрино с энергией Е, Ne(Qβ – E) − число электронов с энергией (Qβ – E), Qβ − энергия β-распада, равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино http://nuclphys.sinp.msu.ru/radioactivity/ract03.htm Тогда из рис.2.8.1 для лампы накаливания с вольфрамовым излучателем при 2000 К энергия антинейтрино ~ 1.1 эВ – это ~ на 6 порядков меньше энергии антинейтрино от бета-распада 40K. Некоторые полагают, что от Солнца на Землю идет поток нейтрино, а ему навстречу, от Земли — поток гео-антинейтрино, так что мы со своими лампами накаливания и ядерными реакторами удачно вписываемся в эту схему. :) Любопытно — в истории физики уже столетие наблюдается уникальная ситуация – когда что-то сначала теоретически открывают, а затем это «что-то» находят экспериментально. Поневоле вспомнишь о таких, как Илон Маск — допускающих, что мы живем в «Матрице», и тех, кто согласен с утверждением — …в Начале было Слово… :)
После ‘остапа’ можно постить что угодно :) Кто-нибудь посещал сайт росатома там даже следов фона нет в нашей стране с радиофобией странно борьба ведётся. график как пульс у мертвеца :) ещё можно попробовать дозиметр купить с кристалом сцинтилятора а зачем вам такой прибор , пользуйтесь трубкой газоразрядной :) Хоть на учёт не поставили :)