Нейтринная физика

Как заставить нейтрино контролировать ядерный реактор

Нейтринные исследования сегодня стали одной из ключевых областей в физике элементарных частиц. За десятки лет, прошедшие со времени открытия нейтрино, ученые все еще не до конца понимают все свойства этой частицы. Однако именно в этой области в ближайшее время могут произойти прорывные открытия, которые позволят физикам выйти за рамки Стандартной модели.

Российский фонд фундаментальных исследований поддерживает проекты в области нейтринной физики с самого своего основания. О самых перспективных исследованиях и экспериментах в этой области мы беседовали с руководителем отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт», заведующим кафедрой физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ доктором физико-математических наук Михаилом Дмитриевичем Скорохватовым.

- Михаил Дмитриевич, сколько проектов сегодня у Курчатовского института, поддержанных РФФИ?

- Ежегодно только на московскую площадку Курчатовского института приходится около 100 поддержанных РФФИ грантов по различным конкурсам. По нейтринным исследованиям в этом году – три текущих гранта, три только закончились и готовится несколько заявок по новым конкурсам 2017 г. С РФФИ мы начали дружить с самого начала основания организации – 25 лет назад. Хочу подчеркнуть, что для участников проектов, прошедших и выигравших конкурс, это не только материальная поддержка, но еще и признание научной значимости работ. Я как могу помогаю работе фонда, участвую в экспертных советах, когда речь идет о проектах, посвященных нейтринной физике или физике частиц. Как мы говорили, сейчас эта область очень перспективная и востребованная. Поэтому у нас есть обоюдная заинтересованность: и со стороны Курчатовского института в содействии фонда, и со стороны РФФИ в поддержке наиболее актуальных для страны исследований.

- Почему нейтринная физика стала одним из популярных направлений развития фундаментальной науки?

- Есть несколько причин. Во-первых, нейтрино до сих пор остается той загадочной частицей, свойств которой мы до конца не понимаем. Например, мы до сих пор не измерили массу нейтрино, хотя уверены, что она существует и что она значительно меньше масс других фундаментальных частиц. Мы до сих пор не понимаем природу нейтринных осцилляций – переходов одного сорта нейтрино в другой при распространении нейтрино в пространстве, хотя наблюдаем это явление экспериментально. Эти свойства не могут быть объяснены в рамках современной теории элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, и требуют новых подходов. Поиск ответов на эти вопросы расширяет наше понимание структуры материи.

Во-вторых, свойства нейтрино, по-видимому, оказывали существенное влияние на формирование крупномасштабной структуры Вселенной и ее наблюдаемую барионную асимметрию. Один из вопросов естествознания, волнующих современных ученых, – почему во Вселенной мы видим материю и не видим антиматерию, хотя в ходе экспериментов на ускорителях рождаются и частицы, и античастицы примерно в одинаковом количестве. Ответ может быть связан с нарушением фундаментальных симметрий в слабых взаимодействиях, в которых участвует нейтрино.

Другая глобальная проблема современного естествознания – это объяснение природы скрытой массы Вселенной. Астрономические наблюдения последних десятилетий свидетельствуют о наличии во Вселенной неизвестной материи, которая проявляет себя только через гравитационное взаимодействие. Есть предположение, что именно новые, пока не обнаруженные типы нейтрино ответственны за эту таинственную субстанцию, что стимулирует значительный интерес к их поискам как возможного кандидата на роль темной материи.

Кроме того, нейтринная физика очень плодотворно взаимодействует с другими науками – с астрофизикой, астрономией, геофизикой. Поскольку нейтрино крайне слабо взаимодействуют со средой и могут пронизывать огромные расстояния в веществе без взаимодействия, нейтринное излучение используется в качестве зонда, чтобы заглянуть вглубь Солнца, Земли и понять, какие процессы там протекают. Ведется поиск нейтрино от различных астрофизических объектов, сверхновых звезд, и такие эксперименты сейчас активно развиваются.

- Как же удается детектировать нейтрино, если его масса ничтожно мала и эта частица практически неуловима?

- Действительно, нейтрино трудно обнаружить, поэтому экспериментальные исследования предъявляют большие требования к современным технологиям, которые могут обеспечить масштабность нейтринных детекторов, высокоточные и надежные измерения, ультранизкий радиоактивный фон. Так, нейтринные детекторы создаются с учетом самых современных материалов и технологий.

С другой стороны, в ходе нейтринных исследований открываются новые технические решения, которые оказывают большое влияние на появление и развитие новейших технологий для различных применений в промышленности, медицине, экологии и т.д. Развиваемая уникальная экспериментальная база нейтринных исследований трансформируется в коммерческие продукты на различных высокотехнологичных рынках. Пример – новаторская разработка НИЦ «Курчатовский институт» по регистрации реакторных нейтрино, которая положила начало новой концепции управления и мониторинга ядерного реактора.

Уникальные технологии регистрации нейтрино дают основу и возможность построения высокочувствительных инструментов и приборов для измерения других ядерных излучений – гамма-квантов и нейтронов, используемых для решения практических проблем радиационной разведки и контроля, задач двойного назначения.

Поэтому нейтринная физика сегодня стала локомотивом внедрения самых передовых технологий в практику.

- Сегодня российские физики, изучающие нейтрино, участвуют в масштабных международных проектах. А с чего начинались исследования этой неуловимой частицы в России?

- Интенсивные исследования в области физики нейтрино и слабых взаимодействий начались в середине прошлого века. Тогда же в России, и в частности в институтах НИЦ «Курчатовский институт», начала создаваться экспериментальная база, которая благодаря государственной поддержке до конца 1980-х гг. обеспечивала нам мировой уровень исследований, а по ряду направлений российские ученые были лидерами в нейтринной физике.

В Курчатовском институте были выполнены пионерские работы по изучению бета-распада нейтрона и ядер, определению параметров распада мюона и гиперонов. В 1960-е гг. начались исследования по физике нейтрино, а в 1970-х гг. были созданы уникальные нейтринные лаборатории вблизи реакторов на Ровенской АЭС, расположенной в Украине, и в Красноярске. Были выполнены также уникальные исследования свойств и взаимодействий реакторных антинейтрино, был впервые предложен метод практического использования нейтрино для контроля атомных реакторов. Производство в Курчатовском институте изотопно-обогащенных материалов позволило провести рекордные по чувствительности поиски безнейтринного двойного бета-распада ядер.

На ускорительном комплексе в Протвине в 1970-х гг. был создан нейтринный канал, обладавший лучшей в мире эффективностью. С использованием нескольких поколений детекторов на нейтринном пучке были проведены исследования мирового уровня по изучению взаимодействия нейтрино и антинейтрино с нуклонами по каналам заряженных и нейтральных токов, получены ограничения на параметры нейтринных осцилляций и образование новых нейтральных лептонов.

Хочу подчеркнуть также, что теоретические исследования ученых НИЦ «Курчатовский институт» приобрели широкую мировую известность.

Проблемы начались на рубеже 1980-1990-х гг., когда с развалом СССР развитие отечественной экспериментальной базы сначала затормозилось, а затем и вовсе прекратилось. Возобновить финансирование отечественных проектов, хотя бы на минимальном уровне, удалось в том числе и за счет грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), 25-летие которого мы отмечаем в этом году. Одна из важнейших задач, которую решал фонд с самого начала, предоставляя поддержку инициативным проектам, — сохранение отечественной исследовательской базы, научных коллективов и научных школ.

- Насколько значительным был вклад РФФИ в 1990-е гг. в сохранение науки в России?

- Это было тяжелое время — и, конечно, не только для ученых. Могу сказать без преувеличения, что в конце 1980-х гг. наши специалисты играли выдающуюся роль в мировой науке. Началось интенсивное взаимодействие научных групп с иностранными учеными, которое привело к возникновению новых международных коллабораций в зарубежных научных центрах. Этот процесс шел, с одной стороны, организованно, в рамках поддержки Министерством науки и РФФИ зарубежной экспериментальной базы и проектов, регламентируемых крупными научными соглашениями, в том числе межправительственного уровня. С другой стороны, к сожалению, в большинстве случаев этот процесс осуществлялся хаотично, без выработанной программы и учета национальных интересов, по принципу сотрудничества на базе имеющихся в руках ресурсов. В результате многие ученые уехали на Запад, а кто-то ушел из науки в более прибыльные отрасли.

Если вы посмотрите на возраст ученых, которые сейчас занимаются фундаментальной наукой в России, то увидите большой провал среди 30-50-летних. Это как раз возраст тех, кто в 1990-2000-х гг. ушел из науки.

Наша лаборатория в Курчатовском институте, которая лишилась возможности проводить исследования реакторных антинейтрино на Ровенской АЭС, смогла сохраниться, так как часть работ была перенесена на АЭС Франции, где и продолжились исследования с нашими зарубежными коллегами в рамках научного соглашения о сотрудничестве. Кроме того, большую помощь оказал РФФИ, который выделял гранты на наши исследования. Именно это позволило нам сохранить основной кадровый состав. Приблизительно 10-15 лет назад в РФФИ дополнительно к инициативным проектам появились проекты ориентированных фундаментальных исследований.

- В чем разница?

- Конкурс ориентированных фундаментальных исследований – это отбор небольшого числа проектов, порядка десяти, направленных на решение одной, наиболее актуальной сегодня научной задачи. И финансирование таких проектов значительно больше. Например, обычный грант РФФИ, выделяемый на инициативный проект, составляет 500 тыс. рублей в год. Сейчас на эту сумму ученому-экспериментатору можно купить всего лишь один электронный модуль. Очевидно, что с таким финансированием невозможно провести полноценное научное исследование. Такие проекты скорее рассчитаны на материальную поддержку текущего научного проекта или предварительные работы для создания научного задела. Размер же поддержки ориентированных фундаментальных исследований – до 5 млн рублей в год на проект. И это уже другой уровень, позволяющий вести новые исследования на достойном уровне.

Хотелось бы также сказать несколько слов о той роли, которую играет сегодня РФФИ в привлечении молодежи к научным исследованиям. В этом направлении фондом был развернут целый комплекс мероприятий – конкурс научных работ «Мой первый грант», научные стажировки и обмены, поддержка молодых кандидатов и докторов наук, поддержка проведения молодежных школ и т.д. Все это обеспечило приток студентов, аспирантов и молодых специалистов в научные коллективы, что помогает решить ключевую проблему – закрепление молодежи в науке.

- Сейчас реализуется сразу несколько крупных проектов, связанных с физикой нейтрино. Например, в Китае построили самую глубокую в мире подземную лабораторию для изучения этих частиц, а США планируют запускать пучок нейтрино из Фермилаба в Южную Дакоту. Чем объясняется такой всплеск интереса?

- Если вы вспомните, когда создавались большие ускорители, например Большой адронный коллайдер в CERN, все ждали, что стоит повысить энергию — и посыплются открытия. Но этого не произошло. Безусловно, открытие новой частицы, бозона Хиггса, показало большие возможности ускорительного направления. Однако к настоящему времени у нас нет экспериментальных результатов на БАК, указывающих на необходимость расширения Стандартной модели элементарных частиц. В случае отсутствия новых открытий можно столкнуться с тупиковой ситуацией, в которой многочисленные теоретические подходы останутся без опоры на данные экспериментов.

А вот нейтринные исследования в XXI в. были и, по-видимому, будут весьма успешны. Открытие и исследование осцилляций нейтрино, отмеченные двумя Нобелевскими премиями в 2002 г. и в 2015 г., подтвердили факты проявления физики за рамками современной теории – Стандартной модели. Своего решения ждут и другие проблемы, о которых мы говорили раньше, – это значения и иерархия масс нейтрино, нарушение фундаментальных симметрий, вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино. И поэтому многие ученые обратились к области, где открытия лежат на поверхности, – к физике нейтрино. Неслучайно в тех же США приоритетные исследования сейчас сосредоточены на нейтринной физике. Дополнительным фактором служит большой инновационный потенциал этой области.

- В каких проектах сейчас участвует Курчатовский институт?

- Один из центральных международных проектов – Borexino, который проводится в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Сейчас в Гран-Сассо готовится большой проект по поиску темной материи – DarkSide. Как мы говорили раньше, ученые сегодня не понимают, что представляет собой скрытая масса Вселенной. Одно из предположений: она состоит из частиц, которые пока не открыты. Наиболее обоснованна гипотеза, согласно которой это некие массивные слабовзаимодействующие частицы, аналогичные нейтрино. Если это так, мы намерены наблюдать рассеяние этих частиц на ядрах аргона. Сейчас в Гран-Сассо строится специальный детектор. Масса аргона в уже работающем прототипе детектора – всего 50 кг, а в будущем она будет увеличена до 20 т, то есть это еще один гигантский детектор.

- В предыдущих экспериментах ученые активно искали осцилляции нейтрино. Что сегодня известно об этом свойстве?

- Гипотеза о нейтринных осцилляциях, выдвинутая Бруно Понтекорво 60 лет назад, оказалась весьма плодотворной. В последние несколько десятилетий осцилляции активных нейтрино – переходы при распространении электронных, мюонных и тау нейтрино друг в друга — получили убедительные экспериментальные подтверждения. Было определено большинство параметров осцилляций, хотя есть еще неизвестные, которые мы планируем продолжить исследовать.

В одном из международных проектов, эксперименте Double Chooz на АЭС во Франции, цель которого — прецизионное измерение одного из параметров осцилляций нейтрино, мы участвуем в рамках созданной Международной ассоциированной лаборатории, по соглашению между НИЦ «Курчатовский институт», РФФИ и Национальным центром научных исследований CNRS Франции. Этот параметр, так называемый угол смешивания тета-13, играет важную роль для предсказаний ускорительных нейтринных экспериментов с длинной базой. Аналогичные измерения проводятся сейчас на АЭС в Китае и Республике Корея, а методика этих экспериментов была разработана учеными НИЦ «Курчатовский институт».

Процесс нейтринных осцилляций можно записать довольно простым уравнением, а глубинную сущность и природу этого явления физики пока не разгадали. Здесь мы близко подходим к следующим вопросам. Тождественно ли нейтрино своей античастице? Существуют ли другие, очень тяжелые, типы нейтрино, которые пока не открыты? Сейчас мы готовим некоторые научно-исследовательские разработки, направленные на подготовку нового проекта по поиску тяжелых нейтрино на ускорителе в CERN. Если мы обнаружим эти частицы, то приблизимся к разгадке нейтринных осцилляций, темной материи и т.д. Все эти проблемы тесно связаны.

Если возвращаться к вашему вопросу о популярности нейтринных исследований, то многие открытия, которые продвинут фундаментальную науку на шаг вперед, лежат в области физики этой частицы. Показателен здесь и интерес молодежи к нейтринным исследованиям, который мы наблюдаем на кафедре физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». На этой базовой кафедре НИЦ «Курчатовский институт» год от года растет число заявок от студентов, которые хотят обучаться в магистратуре именно по этому направлению. Часть занятий для студентов кафедры мы перенесли на площадку Курчатовского института, где им преподают ученые, непосредственно занятые сегодня в научных исследованиях. Опыт показывает, что студенты остаются там, где им предоставлены возможности для творческой и интересной работы. И мы благодарны руководству НИЦ «Курчатовский институт» и РФФИ, которые помогают создать условия для реализации потенциала молодежи в этой области исследований.

Мы надеемся, что поддержка нейтринной физики, в том числе и со стороны РФФИ, будет продолжена в России. Это направление не только вносит вклад в фундаментальную науку, но и имеет большое прикладное значение.

- В каких областях уже удалось применить данные нейтринных исследований?

- Физика нейтрино, как правило, ассоциируется с сугубо фундаментальной наукой, оторванной от практических задач страны и общества. Однако такое мнение сегодня глубоко ошибочно.

В частности, видное место в наших работах занимают разработки и внедрение нейтринных технологий в интересах атомной отрасли. Одна из таких разработок направлена на обеспечение АЭС уникальными средствами внутриреакторного контроля на базе создания промышленных детекторов реакторных антинейтрино. Научные основы нового метода были разработаны специалистами Курчатовского института в экспериментах на Ровенской АЭС и получили признание МАГАТЭ и ведущих мировых научных центров. Сегодня работы по нейтринному контролю для обеспечения безопасной эксплуатации атомных реакторов и режимов гарантий нераспространения ядерных материалов уже широко востребованы и развиваются не только в России, но также в США, Франции, Южной Корее, Китае, Японии и других странах.

В НИЦ «Курчатовский институт» был создан опытный образец индустриального детектора, предназначенный для дистанционного мониторинга атомного реактора по характеристикам потока антинейтрино. Он создавался учеными несколько лет и частично – на средства РФФИ.

- Как вы предлагаете использовать нейтрино для контроля АЭС?

- Ядерный реактор – мощный источник нейтринного излучения, которое образуется в результате цепной реакции в активной зоне реактора. Это излучение беспрепятственно выходит за пределы всех защитных сооружений и в настоящее время никак не используется, хотя несет подробную информацию о выработанной мощности, состоянии активной зоны реактора и ее изотопном составе, включая выгорание изотопов урана и накопление изотопов плутония. Поэтому дистанционная регистрация нейтринного излучения не требует подключения детектора к системам АЭС и обладает определенной жизнестойкостью, то есть устойчивостью, даже в случае разрушения реактора.

Таким образом, на АЭС можно установить автономный нейтринный детектор, который будет работать в режиме черного ящика и постоянно передавать данные в управляющий или контрольный центр, поставляя информацию об энерговыработке, изотопном составе ядерного топлива. В случае сбоя или аварии реактора внутриреакторные приборы контроля могут быть обесточены или даже разрушены. Так, специалистам во время аварий на АЭС – Чернобыльской и на Фукусиме – было непонятно, протекает или нет цепная реакция в разрушенных реакторах. Но автономный нейтринный прибор будет вести измерения даже после аварии.

Кроме того, нейтринные методы контроля не подвержены фальсификации, и разработка компактных нейтринных приборов контроля представляет интерес для поддержания гарантий нераспространения при поставках реакторов в третьи страны. Когда реактор АЭС загружается свежим топливом, в первые месяцы нарабатывается оружейный плутоний, который может быть извлечен для незаконного производства ядерного оружия. И эксперты МАГАТЭ признают, что нет действенных методов контроля над этим процессом: пломбы, камеры наблюдений – все данные можно сфальсифицировать. Единственный способ, который подделать невозможно, – это использование нейтринного метода контроля. По данным с нейтринного детектора в течение одного часа проверяющие контролеры смогут выявить остановку реактора и организовать инспекцию для предотвращения незаконных действий.

- МАГАТЭ дало добро на использование подобного детектора?

- Эксперты организации признают научные основы нейтринных технологий и поддерживают развитие нейтринного метода контроля реакторов. Однако для внедрения необходима разработка индустриального прибора, допускающего тиражирование, и его испытания в демонстрационном эксперименте. В этом направлении и ведутся работы как в НИЦ «Курчатовский институт», так и в ведущих научных центрах зарубежных стран.

А теперь представьте, что такой детектор создан, испытан, готов к эксплуатации и МАГАТЭ обязует все страны устанавливать его при строительстве АЭС для обеспечения режимов гарантий нераспространения. То есть государство, которое создаст такое устройство, станет монополистом в продаже реакторов. И если это будут США, где подобные исследования идут самым активным образом, не исключено, что у других стран возникнут препятствия для строительства АЭС.

А в долгосрочной перспективе нейтринный детектор может в принципе заменить службы управления атомными реакторами. Так, при строительстве АЭС на установку всех приборов внутриреакторного контроля тратятся значительные средства. Может ли их заменить один универсальный прибор, подходящий для всех типов реакторов? Многие страны – не только Россия и США, но и Франция, Япония и даже Южная Корея – работают в этом направлении. Очевидно, что конкуренция в этой области будет только нарастать.

- На каком этапе создания детектора находится Курчатовский институт?

- Сейчас детектор проходит лабораторные испытания. Хотелось бы подчеркнуть, что это первый опытный образец индустриального детектора и в его сооружении принимали участие специалисты разных организаций России. Мы планируем установить его на Калининской АЭС для реализации демонстрационного эксперимента. Атомная отрасль, которая, безусловно, выступает флагманом технологической модернизации РФ, всегда служила компетентным заказчиком и потребителем новых инновационных подходов развития. Поэтому мы надеемся, что развитие работ в этом направлении будет вестись при поддержке и в тесном контакте со специалистами ГК «Росатом».

У нас уже есть идеи, как создать более компактные детекторы, которые можно использовать для мониторирования нейтринного потока от ядерного реактора. И, наоборот, масштабирование индустриальных экспериментальных комплексов открывают перспективы для разработки нейтринных методов контроля и инвентаризации хранилищ отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Долговременные глобальные хранилища могут аккумулировать значительные количества ОЯТ. Очевидно, что приборы альфа-, бета- и гамма-излучения обеспечивают контроль только внешних слоев радиоактивных веществ. Поток антинейтрино от долгоживущих бета-активных осколков деления – это единственный вид излучения, который без ослабления выходит за пределы защитных слоев и инженерных сооружений, предназначенных для безопасного хранения высокорадиоактивного вещества. Поэтому дистанционные измерения объемной радиоактивности становятся вполне реальными (аналогично измерениям потоков нейтрино из центра Солнца).

Технологии сооружения детекторов нейтрино, обладающих предельно высокой чувствительностью к ядерным излучениям, создают основу для развития уникальных направлений приборостроения, востребованных, в том числе для задач военно-промышленного комплекса. В НИЦ КИ имеется опыт создания систем гамма- и нейтронной радиационной разведки и контроля, основанный на исследовательских разработках нейтринных детекторов. Часть разработок для создания вертолетных комплексов военного и гражданского назначения была уже внедрена и применялась на практике.

- Какие еще «побочные эффекты» есть у исследований нейтрино?

- Глубокая взаимосвязь научных исследований с запросами общества общеизвестна. Фундаментальные исследования всегда брали от общества передовые технологии, уникальные материалы и производственные возможности. Продвижение вглубь микромира требовало все более совершенных индустриальных и вычислительных технологий, все более крупных и сложных экспериментальных комплексов. С другой стороны, общество получало не только новые знания, но и освоение принципиально новых явлений, методов и технологий, которые находили широкое применение в различных гражданских и оборонных областях.

Что касается нейтринных исследований, то в перспективе, вероятно, будут продолжены работы, связанные с созданием технологий получения ультрачистых материалов, с совершенствованием фотосенсоров, с отработкой методов накопления, передачи и обработки больших объемов информации и т.д. Сверхчистые жидкости сегодня востребованы в медицине и фармакологии, а сверхчистые материалы – в электронной промышленности. В ближайшие годы мы хотели бы наладить промышленное производство жидких сцинтилляторов, широко используемых в нейтринных исследованиях. В России их невозможно купить – в мире их делает лишь одна фирма и продает по большой цене. И с учетом курса на импортозамещение это крайне актуальная вещь. Другое безусловно важное направление – разработка детекторов для медицины.

Одна из многообещающих идей, которая рассматривается уже много лет, связана с разработкой нейтринных коммуникаций. Технология нейтринной связи уже проходит экспериментальное обоснование в зарубежных центрах. Количество предложений растет, хотя их практическая реализация кажется пока чрезвычайно сложной задачей.

До деталей предвидеть развитие нейтринной физики и ее «побочные выходы» невозможно, но совершенно точно можно сказать, что дальнейшие нейтринные исследования не только помогут продвинуться вглубь понимания материи и устройства Вселенной, но также будут востребованы во многих областях современной жизни.

Эксперимент Borexino: поймать сверхновую и проникнуть вглубь Солнца

Международный эксперимент Borexino, который проводится в подземной лаборатории Национального института ядерной физики Италии (INFN), расположенной в горном массиве Гран-Сассо в центре Апеннин, в этом году отмечает десятилетие сбора данных. Именно здесь физики со всего мира в 2007 г. впервые осуществили спектральные измерения нейтрино с энергией менее 1 МэВ, рождаемые в ядерных реакциях в недрах Солнца. Что удалось узнать о нашей звезде за это время и какие задачи планируется решать в дальнейшем на детекторе Borexino, нам рассказал начальник лаборатории физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Евгений Александрович Литвинович.

- Евгений Александрович, в каких проектах по изучению нейтрино участвует ваша лаборатория?

- У нас в лаборатории проходит несколько проектов, и каждый из них в разное время в той или иной степени поддерживался РФФИ. Один из них — Borexino, который реализуется в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Borexino – это крупный детектор с массой сцинтиллятора около 300 т, который регистрирует нейтрино, летящие от Солнца. Хотя детектор может регистрировать нейтрино из недр Земли и из дальнего космоса, то есть при вспышке сверхновой, основной задачей было как раз изучение нейтрино от Солнца. Было предложено регистрировать нейтрино очень низких энергий по их рассеянию на электронах. Начиная с 2007 г. мы осуществляем спектроскопию солнечных нейтрино в области энергий менее 1 МэВ. Ранее в этой области работали только радиохимические детекторы, которые не умели измерять энергию.

- Какие данные удалось получить за десять лет работы детектора?

- Все это время Borexino регистрировал нейтрино от различных термоядерных реакций на Солнце, причем не просто интегральный поток, а конкретно нейтрино от разных реакций. Так, физики впервые выделили сигнал от так называемых рр-нейтрино, которые образуются при слиянии двух протонов на Солнце. Ученые получили возможность с помощью нейтрино наблюдать за конкретными процессами в недрах звезды. Статья, посвященная этим результатам, была опубликована в престижном научном журнале Nature.

- Что удалось узнать о Солнце?

- По нашим данным, пока все происходит согласно ожиданиям, согласно предсказаниям солнечной модели. В этой теории сейчас более 20 параметров, все они известны на разных уровнях точности, причем далеко не всегда удовлетворительных. Один из таких параметров – содержание тяжелых элементов на Солнце. Данные Borexino могут помочь его скорректировать.

Мы рассчитываем, что Borexino сможет решить и еще одну задачу, которая в настоящее время по силам только этому детектору. Речь идет о регистрации нейтрино от CNO-цикла. Этот цикл, или, говоря проще, последовательность ядерных реакций – один из двух основных процессов термоядерного синтеза в звездах. Так, на Солнце в 99% случаев проходит протон-протонный цикл (pp-цикл), конечным продуктом которого становится гелий. В остальных случаях, то есть в 1%, – углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл). Предположение о существовании CNO-цикла в звездах было сделано еще в 1930-х гг., но экспериментального подтверждения этой теории так и не получено.

- Сейчас в Гран-Сассо работает большая команда ученых из России. Какие установки Borexino были созданы Курчатовским институтом?

- При поддержке РФФИ мы создали в составе Borexino новый независимый электронно-измерительный комплекс, который позволил расширить спектрометрические возможности детектора. С его помощью уже получен ряд интересных результатов, но его роль будет особенно важна, если в нашей галактике вспыхнет сверхновая, которую мы ждем с 1987 г.

- Планируете регистрировать нейтрино от сверхновой?

- Да, это очень интересная задача, поскольку экспериментально нейтрино от сверхновой было зарегистрировано лишь однажды, в 1987 г. Сегодня создана сеть детекторов, в которую входит и Borexino, рассчитанных на регистрацию этого события. Дело в том, что нейтринщики узнают о вспышке сверхновой раньше астрономов, так как нейтрино достигнут детекторов раньше, чем всплеск увидят в телескопы. Физики даже смогут сообщить астрономам, куда направить телескопы, чтобы успеть изучить динамику звезды в процессе гравитационного коллапса. С точки зрения фундаментальной теории эволюции звезд это было бы очень важно.

Еще один масштабный проект, который был запущен силами коллаборации Borexino, – DarkSide. Проект посвящен поиску частиц темной материи. Согласно некоторым моделям, темная материя существует в виде слабо взаимодействующих тяжелых частиц. В свое время учеными МИФИ была предложена очень прогрессивная технология регистрации частиц по ядрам отдачи в сжиженных газах, которая сегодня применяется в ряде экспериментов по поиску частиц темной материи. По этой технологии в Национальной лаборатории Гран-Сассо сейчас работает прототип будущего детектора, в котором 50 кг жидкого аргона. А в будущем его массу увеличат до 20 т.

- Размеры впечатляют…

- Да, развитие экспериментальной нейтринной физики идет в сторону наращивания массы мишеней. Увеличение массы сцинтиллятора Borexino до 300 т позволило добиться уникальных результатов. А будущие детекторы станут еще масштабнее, как и, на что мы горячо надеемся, полученные на них открытия.

Подготовила Дарья Золотухина