Что происходит в недрах Земли, в глубинах Солнца, звёзд и в мельчайших частицах — нейтрино? Представитель НИИЯФ МГУ в международном коллективе учёных, объединённых в коллаборацию Борексино, кандидат физико-математических наук Александр Чепурнов рассказывает о своих ближайших планах работы в группе, которая, в частности, недавно провела измерения энергии Солнца в момент ее генерации при помощи регистрации нейтрино. Беседу ведет Анна Васильева (НИИЯФ МГУ).
— Александр Сергеевич, кроме нейтрино, исходящего от Солнца, что ещё вы изучаете с помощью детектора Борексино?
— Источником тепла на Земле является не только, как нас в школе учили, остывающее ядро Земли и согревающее поверхность нашей планеты Солнце, но и ядерные реакции в недрах Земли, которые сопровождаются излучением антинейтрино. Мы называем их геонейтрино и изучаем их, чтобы получить ответ на вопрос: какую долю тепла мы получаем от ядерных реакций с участием урана и тория, содержащихся в недрах Земли.
— Что уже известно о геонейтрино?
— Мы несколько лет назад измерили, сколько геонейтрино летит из Земли. Это было сделать не так просто, потому что для нас в этой ситуации фоном являются антинейтрино от ядерных реакторов, которые человек построил. Но мы, получив данные от МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) о том, сколько и с какой мощностью работало в мире реакторов, подсчитали: сколько в том месте, где находится наш детектор Борексино, может прилететь антинейтрино от всех ядерных реакторов. Учли некоторые физические свойства: спектр антинейтрино от ядерных ректоров и спектр геонейтрино, исходящие из Земли, отличается по форме. Зная это, вычислили фон. И вот, учитывая эти два фактора — фон от реакторных геонейтрино и разницу в форме спектров, — мы сумели подсчитать количество геонейтрино, летящих из Земли и дать оценку на мощность геореактора в 45 ТВт.
— Для чего всё это важно знать?
— Всё это очень важно знать, чтобы понимать как устроена наша планета. Изучением устройства Земли и влиянием этого устройства на нашу жизнь, погоду и другие природные явления занимаются геофизики. Мы для них являемся источником информации, с помощью которой они закрывают и открывают различные теории.
— А ещё какие нейтрино изучаете?
— Антинейтрино, приходящие из космоса. Это антинейтрино высоких энергий в диапазоне до 30 МэВт. Хотим определить источники этих антинейтрино. Например, в качестве гипотетического источника мы рассматриваем гамма-всплески. При этом надо сказать, что Московский университет является ведущей организацией по изучению гамма-всплесков различными методами: как в космосе, так и на Земле. Полученные знания о гамма-всплесках дадут представление о том, какие процессы происходят во Вселенной, как устроены астрофизические источники от которых исходят гамма-всплески, и какие процессы на них происходят.
— Также Вы продолжите изучать нейтрино, приходящие от Солнца?
— Мы продолжаем изучать Солнце. Мы доказали, что 90% энергии Солнца вырабатывается благодаря рр-реакции в которой происходит сгорание водорода с образованием He4. Для звёзд того типа, к которым относится наше Солнце, так и должно быть. Сейчас мы хотим проверить гипотезу, что несколько процентов из оставшихся 10% энергии Солнца вырабатывается благодаря реакции CNO. Гипотеза окажется достоверным фактом, если мы зарегистрируем нейтрино от реакции CNO. До сих пор нейтрино от реакции CNO ещё никем не было зарегистрировано прямым способом.
— Расскажите, пожалуйста, что такое реакция CNO?
— Реакция CNO или углеродно-азотно-кислородный цикл был предложен как гипотетическая реакция, протекающая на Солнце, Хансом Бёте в 1938 году. На Солнце эта реакция является дополнительной к основной рр-реакции. Её результатом так же является He4, но для её протекания в качестве своеобразного катализатора должна быть определённая концентрация ядер углерода С1, количество которых не меняется.
Если мы обнаружим эту реакцию, то, во-первых, мы подтвердим, что эти несколько процентов вырабатываются на Солнце именно таким образом, как мы себе представляем, а во-вторых, мы будем лучше представлять как работают звёзды другого типа, где реакция CNO является доминирующей.
Чтобы обнаружить нейтрино от реакции CNO нам нужно ещё больше научиться подавлять фон в нашем детекторе. Если мы обнаружим нейтрино от реакции CNO, то наша программа по изучению солнечных нейтрино будет завершена.
— Начнёте ещё что-то изучать?
— Ещё есть одна задача, которая уже сейчас решается коллаборацией Борексино, — внести свой вклад в изучение осцилляций нейтрино. Это исследование фундаментальных свойств нейтрино и свойств частиц, входящих в Стандартную модель. Эффект осцилляций проявляется в том, что мы на определенных расстояниях от области рождения нейтрино определенного типа начинаем обнаруживать их дефицит, который можно объяснить изменением наблюдаемого типа нейтрино. Мы хотим узнать: как это происходит? Это будет развитие детектора Борексино, и называться он будет SOX.
— В итоге у коллаборации Борексино сейчас четыре задачи?
— Да, основные задачи: продолжение измерения геонейтрино, антинейтрино от гамма-всплесков, солнечных нейтрино и начало изучения осцилляции нейтрино.
— Из НИИЯФ МГУ в Международный коллектив учёных, объединённых в коллаборацию Борексино, входите Вы и ещё один молодой сотрудник. Чем Вы с ним в этой команде непосредственно занимаетесь?
— В коллаборации Борексино мы участвуем уже более 10 лет. Мы участвовали в создании детектора и его запуске. На первых этапах нашего участия мы занимались разработкой электроники и программного обеспечения для сбора данных и обеспечения работы детектора. В составе системы сбора данных детектора есть быстрые аналогово-цифровые преобразователи, которые в реальном времени обрабатывают данные, идущие с детектора, и дают так называемые «сырые» данные, это первичные данные. Мы входим в группу, которая отвечает за эти быстрые аналогово-цифровые преобразователи, мы их обслуживаем, модернизируем. «Сырые» данные обрабатываются специальными очень сложными программами. Наша группа из НИИЯФ МГУ участвует в написании модулей этих программ, главной целью которых является выделение из потока «сырых» данных событий, связанных с регистрацией антинейтрино.
А второе — мы участвуем в анализе этих «сырых» данных. Мы ищем антинейтрино от реакторов, геонейтрино и антинейтринные события с высокими энергиями, которые предположительно могут быть от гамма-всплесков.
99% событий отбирается автоматически программой, а уже более детальное исследование — подходит ли это событие под категорию физического и нужного нам — проводит физик-экспериментатор. Мы дополнительно анализируем событие по времени, по амплитуде, по количеству сработавших фотоэлектронных умножителей, по месту, где это событие произошло в детекторе, анализируем предыдущие и последующие цепочки событий в детекторе.
Фото: НИИЯФ МГУ
