Зачем российские астрофизики ищут стерильные нейтрино

В горах Кабардино-Балкарии астрофизики начали эксперимент, призванный проверить существование стерильных нейтрино. Это, по сути, попытка найти новую физику. Объясняем, что нужно знать об исследовании.

Нейтрино — это элементарные частицы, которые примечательны по нескольким причинам. Во-первых, нейтрино практически не взаимодействуют с остальным веществом: поток нейтрино свободно проходит всю Землю насквозь. Во-вторых, нейтрино бывают трех типов и при этом они могут осциллировать, то есть превращаться из нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. В-третьих, ряд теоретиков предполагает существование четвертого типа нейтрино, которое называют стерильным. Новый эксперимент в обсерватории под горами Кавказа призван либо доказать наличие этих частиц, либо закрыть эту возможность.

«Это не просто еще одна частица. Это попытка найти, причем сравнительно простым и относительно дешевым методом (если сравнивать с Большим адронным коллайдером, например) новую физику. Новая физика — это и понимание того, что такое темная материя. Возможно, она окажется теми самыми стерильными нейтрино. И, что возможно, выход на новые технологии. Нельзя исключать, что новые нейтрино окажутся представителями неизвестного класса частиц, которые еще и взаимодействуют между собой каким-то иным способом. Если мы нападем на след этого нового взаимодействия, то не исключено, что мы научимся его использовать на практике — подобно тому, как открытие ядерного взаимодействия привело к появлению ядерных технологий», — говорит Григорий Рубцов, заместитель директора Института ядерных исследований.

Сегодня фундаментальных взаимодействий нам известно ровно четыре: электромагнитное, сильное (оно скрепляет частицы внутри ядер атомов и кварки внутри протонов с нейтронами), слабое (отвечающее за превращения кварков друг в друга) и гравитационное. Сто лет назад их было всего два: физики знали электромагнетизм и гравитацию. Открытие сильного и слабого взаимодействий позволило создать атомные электростанции, ядерное оружие, лучевую терапию рака и многое другое. 

Теоретическое предсказание нейтрино, кстати, было ключевым событием на пути к открытию слабого взаимодействия. В 1930 году Вольфганг Паули придумал эту частицу, чтобы спасти закон сохранения энергии в ядерных реакциях с бета-распадом. Конечная энергия частиц, получающихся в ходе распада, оказывалась меньше начальной. Следовательно, остаток приходится на долю какой-то еще, до сих пор неизвестной частицы, которую экспериментаторы тогда не видели. Через несколько лет после идеи Паули другой ученый, Энрико Ферми, разработал теорию, где вдобавок к электромагнитному и сильному (ядерному) взаимодействию появлялось еще одно, позже названное слабым. Слабое взаимодействие могло превращать нейтрон в протон и порождать электрон и нейтрино.

Правоту Паули доказала через 26 лет группа американских физиков, проводя опыты с ядерным реактором и специальным детектором. Из того миллиона триллионов нейтрино, которые возникали в реакторе и пролетали через детектор каждую секунду, некоторые в какой-то момент должны были пролететь не между атомными ядрами, а удариться в одно из них. Столкновение должно было породить микроскопическую вспышку. Залив в свою установку более двух тонн специально подобранного раствора (смеси органических жидкостей) и обложив ее вокруг чувствительными приборами для регистрации сверхслабых вспышек света, ученые смогли насчитать за час всего три такие вспышки — они-то и стали первыми обнаружениями нейтрино. 

Принципиально нейтринные обсерватории с тех пор не поменялись: эти едва уловимые частицы ловят в кромешном мраке. А чтобы защитить детекторы от всевозможных помех (других частиц, прилетающих из космоса, и радиоактивных веществ в горных породах), спускаются как можно глубже и окружают ловушки для нейтрино дополнительными экранами. 

Американские физики разместили свой детектор IceCube (дословно «кубик льда») прямо в леднике на Южном полюсе, итальянские исследователи оборудовали нейтринные обсерватории в ответвлениях автомобильных тоннелей под горами, канадцы и японцы использовали старые шахты. 

В России есть два больших нейтринных проекта: подводный нейтринный телескоп в Байкале (именно «в ...», поскольку он погружен в воду) и Баксанская нейтринная обсерватория в тоннелях под горой Андырчи в Кабардино-Балкарии. 

Все ухищрения, которые предпринимают физики: уход поглубже в воду или толщу земли, строительство детектора побольше, расположение рядом с интенсивным источником нейтрино вроде большой АЭС — призваны сделать помехи поменьше, а «нейтринный улов» побольше. Начавшаяся в прошлом веке охота за нейтрино привела к открытию нейтрино трех типов (электронное, мюонное и тау), показала, что они иногда превращаются друг в друга (или осциллируют) и даже привела к обнаружению нейтрино, порождаемых вспышками сверхновых звезд. 

Но обнаружить стерильное нейтрино, если оно действительно существует, никакой детектор напрямую не позволит: согласно теории, оно вовсе не взаимодействует ни с чем, кроме гравитационного поля. Иными словами, такие частицы пролетают сквозь любой материал и не сталкиваются даже с атомными ядрами. То есть они в буквальном смысле невидимы.

Казалось бы, доказательство существования принципиально неуловимой частицы звучит слишком похоже на поиски возможно отсутствующей черной кошки в темной комнате. Тем не менее она решаема. Потому что, в отличие от кошек, нейтрино осциллируют.
 

За стерильными нейтрино охотятся уже очень, очень долго. Последний громкий результат был получен на эксперименте MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же Фермилаб), где ловят нейтрино полтора десятка лет. 1 июня прошлого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино свой детектор и смотрели, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких масштабах 1977 подобных событий. Американцы насчитали на 461 больше. Но им пока так никто и не поверил: стоило ученым выложить свою статью в открытый доступ, еще до окончания процедуры рецензирования, авторитетнейший журнал Science призвал экспериментаторов внимательно проверить свои данные — не набрали ли они просто 461 ошибку за 15 лет наблюдений? И c решением вопроса о существовании стерильных нейтрино наука решила подождать.

Российские физики намерены искать, наоборот, не лишние, а недостающие события. Принцип такой: если какие-то ни с чем не взаимодействующие частицы реальны, то в них превращается часть новорожденных нейтрино уже известных типов. Следовательно, суммарный поток нейтрино известного типа от источника будет меньше расчетного. Эта логика напоминает поиск утечки из водопровода: даже если течь расположена в каком-то неизвестном и недоступном месте, о ней можно узнать по разности между закачиваемым и вытекающим через краны объемами воды. 

В качестве источника нейтрино для эксперимента BEST ученые используют радиоактивный изотоп хрома, хром-51. Он имеет малый период полураспада — менее 28 дней, зато ярко «светит» нейтрино за счет бета-распада — реакции, при которой один из протонов превращается в нейтрон и вместе с этим испускает нейтрино.

Изготовленый на предприятиях Росатома небольшой цилиндр из радиоактивного хрома физики поместили в центре двух вложенных друг в друга больших цистерн с жидким галлием, металлом, который плавится уже при 30 градусах Цельсия. 

«Мы использовали галлий, — говорит Григорий Рубцов, — потому что он гораздо плотнее используемых обычно для регистрации нейтрино веществ. В плотном галлии наш мощный источник позволит увидеть переход нейтрино в стерильные на очень маленьком расстоянии, намного меньше, чем в других экспериментах. Те удалены от источников, например ядерных реакторов, на много метров или даже на расстояние порядка километра, а у нас все вплотную».

Ядра атомов галлия, если в них попадает нейтрино, превращаются в ядра германия. Ученые рассчитали, что за сутки нейтринной бомбардировки детектора в виде «матрешки» из двух цистерн с галлием примерно 65 атомов галлия в каждой цистерне должны стать атомами германия. Но это если стерильных нейтрино не существует и все нейтрино, возникшие при распаде атомов радиоактивного хрома-51, будут принадлежать к уже известным типам, которые взаимодействуют с ядрами атомов. Если атомов германия во внешней цистерне с галлием вдруг окажется меньше, чем в первой, внутренней, это будет значить, что часть нейтрино за время путешествия между контурами осциллировала, превратилась в стерильные и потому не прореагировала с ядрами галлия. Получившаяся разница (если она получится) будет серьезным аргументом в пользу гипотезы о стерильных частицах.

Пятидесятитонная галлиевая емкость в обсерватории, кстати, крупнейшая в мире. В ней галлия столько, сколько добывают на Земле за несколько месяцев.

Поиск стерильных нейтрино планируется разбить на серию из 10 наблюдений по 9 дней каждое, поэтому ученым потребуется найти в многотонной цистерне меньше тысячи атомов германия-71. Это почти как найти одну, едва видимую глазом пылинку среди песков Сахары.

С точки зрения обычной химии это невозможно. Но находить около 95% всех прореагировавших с нейтрино атомов физики уже научились. Для этого весь галлий прокачивают через фильтр, собирающий германий — как тот, что входит в состав металла в качестве примеси, так и те редкие атомы, которые образовались в ходе опыта.

А затем этот германий загрузят в другой детектор.  Образующийся при столкновении с нейтрино германий радиоактивен, поэтому его можно обнаружить и даже посчитать его атомы чуть ли не поштучно. Надо просто подождать, пока прибор зафиксирует некоторое количество радиоактивных распадов — их число и скажет, сколько атомов германия получились из-за столкновения с нейтрино. 

Первые данные наблюдений будут опубликованы к середине октября этого года. Весь эксперимент, впрочем, будет длиться много лет, чтобы физики могли удостовериться: зарегистрированный в Баксанской обсерватории эффект (или его отсутствие) не плод статистических флуктуаций, а действительное свидетельство в пользу существования (или несуществования) невидимой частицы, которую наука ищет уже десятки лет.

Прорыва в новую физику из российской подземной обсерватории придется еще подождать.