В изучении элементарных частиц в последние десятилетия произошли значимые события. Одно из них — открытие ненулевой массы нейтрино. Тем не менее ряд фундаментальных проблем до сих пор остается нерешенным. Разобраться в них российским ученым помогает участие в международном эксперименте на установке TAO — так кратко называется расположенная в Китае антинейтринная обсерватория. Эти исследования поддерживаются РНФ в рамках гранта «Прецизионное измерение спектра реакторных антинейтрино в TAO как ключ к определению порядка масс нейтрино».
О деталях работы, которая входит в число наиболее ярких проектов РНФ за 10 лет существования Фонда, «Поиску» рассказал руководитель совместного гранта РНФ — ГФЕН, замдиректора Лаборатории ядерных проблем им. В.П.Джелепова Объединенного института ядерных исследований доктор физико-математических наук Дмитрий НАУМОВ.
Дмитрий Наумов. Источник: Иркутский планетарий
— В связи с чем у физиков возник интерес к изучению свойств антинейтрино? Чем принципиально отличаются эксперименты по регистрации антинейтрино от нейтринных?
— Свойства нейтрино и антинейтрино во многом совпадают. Но в практическом плане изучать антинейтрино проще, так как мощными источниками этих частиц являются ядерные реакторы, в отличие от нейтрино, для получения которых необходимы дорогостоящие ускорители или радиоактивные источники.
Детекторы для антинейтрино и нейтрино схожи, но обнаружение антинейтрино облегчается их способностью превращать протоны в пару — нейтрон и позитрон, вызывая две яркие вспышки света в сцинтилляторе, которые легко регистрируются фотоумножителями.
— Что представляет собой антинейтринная обсерватория ТАО?
— Антинейтринная обсерватория ТАО (Taishan Antineutrino Observatory) является частью более широкого проекта JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), который нацелен на изучение общих свойств нейтрино и антинейтрино. Специализированный детектор ТАО предназначен для работы в связке с основным детектором JUNO и направлен на повышение точности измерений энергии антинейтрино.
Меньший размер детектора ТАО компенсируется его усовершенствованными техническими характеристиками и оптимизированной конструкцией, что позволяет достигать большой точности измерений.
В проектировании ТАО, в том числе в рамках нашего проекта, были решены уникальные технологические задачи, обеспечивающие высокую эффективность, что делает его важным дополнением к основному эксперименту JUNO и способствует глубокому пониманию свойств нейтрино.
В настоящее время известно о трех типах нейтрино с различными массами, при этом точное положение одного из типов по массе — легче или тяжелее двух других — остается открытым вопросом определения порядка масс нейтрино.
JUNO планирует дать ответ на этот фундаментальный вопрос. Сложность задачи можно сравнить с попыткой измерить длину в десять тысяч километров с точностью до размера одного атома. Такой подход предъявляет серьезные требования к эксперименту.
— Как организовано участие Дубны (ОИЯИ) в этих экспериментах?
— В подготовке экспериментов на JUNO и TAO принимает участие ряд российских научных организаций: ОИЯИ, ИЯИ РАН и МГУ. Каждая из них вносит свой вклад в проект. Институт из Дубны за последнее десятилетие внес в него существенную лепту.
Разработаны и произведены источники высоковольтного питания для всех фотоумножителей JUNO и TAO, а это десятки тысяч штук! Источники питания для JUNO введены в эксплуатацию, а для TAO нам предстоит это сделать в ближайшее время. Предложенная нами схема высоковольтного питания определила весь довольно инновационный дизайн электроники эксперимента. ОИЯИ существенно проявил себя в создании мюонной системы JUNO.
Кроме того, в нашем институте придуманы и изготовлены специальные станции для детального исследования фотоумножителей JUNO, а наши сотрудники в течение пары лет протестировали большое число уникальных фотодетекторов JUNO.
Мы организовали и наладили работу крупнейшего в Европе дата-центра для передачи, обработки и хранения данных этого эксперимента. Наконец, весьма серьезно проявили себя в материальной и интеллектуальной составляющих детектора TAO.
— Почему именно этот проект, расположенный на юге Китая, выбран вами для исследования упорядоченности масс нейтрино?
— Два ключевых фактора определили наш выбор как единственно возможный. Во-первых, чтобы провести это тонкое исследование, необходимо использовать такое явление, как осцилляции нейтрино, предложенное легендарным физиком Бруно Понтекорво, проработавшим в ОИЯИ более 40 лет.
Сегодня это явление надежно обнаружено экспериментально и понято теоретически. Исследования осцилляций нейтрино отмечены множеством престижных наград, включая Нобелевские премии. Упорядоченность масс нейтрино проявляется в форме осцилляций нейтрино.
Наибольшая чувствительность возникает, если расположить детектор антинейтрино примерно в 50 км от ядерного реактора. Но на таком расстоянии поток антинейтрино ослабевает в 25 миллионов раз по сравнению с потоком на 10 м от реактора.
Поэтому необходимы мощный комплекс атомных станций и огромный детектор с массой не менее 20 тысяч тонн. Во-вторых, детектор должен быть надежно защищен от фона космических мюонов. Для этого его надо разместить глубоко под горой. Если посмотреть на карту Земли, совпадений этих двух факторов не так уж и много. Наилучшее — в провинции Цзянмэнь на юге Китая.
— Расскажите о международном коллективе, который принимал участие в эксперименте по гранту РНФ?
— Наш коллектив состоял из десяти сотрудников ОИЯИ и такого же количества китайских коллег из Пекинского института высоких энергий. Работа велась в течение трех лет и включала в себя подготовку программного обеспечения эксперимента и создание оборудования и методик для тестирования кремниевых фотоумножителей, используемых в детекторе TAO.
— Что удалось выяснить в ходе совместной работы с китайскими коллегами?
— Ключевой идеей эксперимента ТАО является применение кремниевых фотоумножителей для регистрации света, поскольку они обладают почти в два раза большей эффективностью в сравнении с вакуумными.
Однако такая высокая чувствительность имеет свою цену — детекторы получаются довольно «шумными», то есть регистрируют сигналы даже в отсутствие света. В коллаборации было принято решение охладить весь детектор ТАО на пятьдесят градусов ниже нуля. Тогда собственный шум уменьшается в тысячи раз.
В ходе выполнения гранта мы занимались разработкой, производством и тестированием системы питания кремниевых фотоумножителей. Также мы изучали их свойства при низких температурах, включая влияние взаимных наводок, и разработали методы массовой паспортизации кремниевых фотоумножителей. Без этого успешный запуск ТАО был бы невозможен.
Главной задачей ТАО является сверхточное измерение энергетического спектра антинейтрино от атомного реактора. Предстоящее измерение требует не только уникального детектора, но и инновационных методов математической обработки данных.
Поэтому в рамках нашего проекта мы трудились над такими методами и соответствующим программным обеспечением. Разработанное нами ПО dagflow предназначено для анализа данных нейтринных экспериментов и может быть использовано любым желающим. С его помощью мы успешно провели детальное исследование спектра реакторных антинейтрино, что позволило значительно повысить точность и эффективность обработки данных в эксперименте JUNО.
Важной частью нашей работы стало использование нейросетевых алгоритмов для реконструкции энергии реакторных антинейтрино. Эти алгоритмы оказались более эффективными по сравнению с классическими методами, основанными на функциях правдоподобия. Поэтому мы планируем продолжать работы в этом направлении.
Разработанные нами технологии имеют потенциал для применения не только в научных исследованиях в нейтринной физике, но и в таких приложениях, как медицинская визуализация и диагностика.
— Были сообщения об эксперименте на Калининской АЭС — там тоже можно изучать антинейтрино?
— Да, антинейтрино активно исследуется на Калининской АЭС сотрудниками ОИЯИ, ИЯИ РАН, ФИАН, Курчатовского института, НИИЯФ МГУ, МИФИ. Такие исследования возможны и на других АЭС (на некоторых из них они ведутся).
Обычно физики стараются воспользоваться атомным реактором как мощным источником антинейтрино и располагают свою аппаратуру на расстоянии порядка десяти метров от его центра.
На таком расстоянии не получится определить упорядоченность масс нейтрино, для чего требуется отодвинуть детектор на полсотни километров. Зато удастся исследовать некоторые фундаментальные вопросы — возможный магнитный момент нейтрино, обнаружить когерентное рассеяние нейтрино на ядре, проверить гипотезу существования стерильного состояния нейтрино.
Кроме того, в таких экспериментах ведутся работы по созданию нейтринного монитора ядерного реактора, который позволит надежно определить количество вырабатываемых изотопов урана и плутония. Эта активная и перспективная область исследований привлекает внимание большого числа ученых и инженеров, что и определяет разнообразие проводимых там экспериментов.
— Реакторные нейтрино и те, что ловят на Байкале или в Антарктиде, — это разные частицы или одни и те же?
— Электроны в атомах наших тел и электроны в звездах где-то далеко в космосе одинаковые. Точно так же нейтрино от реактора и из далекого космоса, которые ловят, например, на озере Байкал, одинаковые по своей природе. Три важных аспекта делают байкальские нейтрино особенно интересными.
Первое: они обладают энергиями в миллиард раз бÓльшими, чем реакторные и солнечные нейтрино. Стало быть, где-то в космосе есть природные ускорители, способные разогнать частицы до энергий, минимум в сто раз бÓльших, чем у Большого адронного коллайдера (LHC).
Второе: из-за своего слабого взаимодействия с веществом нейтрино выходит из области своего рождения и, не отклоняясь по пустякам, сохраняет информацию о направлении на свой источник.
Третье: если из атомного реактора выходят антинейтрино электронного типа, то космические источники, по всей видимости, рождают нейтрино и антинейтрино и других типов.
Определение энергии, направления прихода и типа астрофизических нейтрино поможет разгадать природу источников.
— В последнее время даже в фундаментальной физике целесообразность тех или иных исследований требуется обосновывать практическим применением. А у антинейтрино/нейтрино оно есть?
— Все же целесообразность фундаментальных исследований не должна обосновываться возможностью их практического применения. Фундаментальные исследования могут привести к полезным технологиям и часто приводят к ним.
Тут важно понимать, что между фундаментальным открытием и новыми технологиями, сделанными на его основе, есть временной интервал. Иногда год, а иногда десятилетия. Электричество, сотовая связь, спутниковая навигация, скоростные поезда на магнитной подушке и даже Интернет — все это и почти все вокруг нас, без чего немыслима наша современная жизнь, основано на фундаментальных открытиях в физике.
Например, без специальной теории относительности и общей теории относительности, двух интеллектуальных революций прошлого столетия невозможна спутниковая навигация. А если бы у Альберта Эйнштейна потребовали обосновать его работу над своими теориями, додумался бы он до спутниковой навигации?
Тем не менее почти немедленная практическая польза от исследования реакторных антинейтрино есть. Их можно применить для контроля над нераспространением ядерного оружия. Аккуратное измерение энергии реакторных антинейтрино позволяет надежно определить количество вырабатываемого в атомном реакторе плутония-235.
В более отдаленной перспективе практическая польза для общества будет связана с теми технологиями, которые были созданы для того, чтобы эксперимент состоялся.
Например, работа по подготовке эксперимента JUNO заняла у коллаборации из почти семи сотен ученых и инженеров более десяти лет. В ходе нее было создано множество новых технологий, которые обязательно найдут свое применение в нашей повседневной жизни. Именно так и происходит трансфер знаний от фундаментальной науки к обществу.
— Можно ли сравнить ваши результаты с результатами коллег из других стран? Как Россия выглядит в плане изучения нейтрино?
— В плане существующих специалистов Россия выглядит вполне достойно на мировом уровне. Если эксперименты международные, то результаты принадлежат международной коллаборации, и выделять какую-то отдельную группу было бы некорректно.
Если же говорить о нейтринных проектах с доминирующим российским вкладом, то нам есть чем гордиться в этом отношении.
Это и эксперименты с солнечными нейтрино, потребовавшие развития несуществовавших в то время уникальных технологий в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.
Это и Байкальский нейтринный телескоп — условное название для нейтринных проектов на озере Байкал. Это и эксперименты на Калининской АЭС, и некоторые другие проекты.
— Что дает изучение нейтрино/антинейтрино в плане приближения к новой физике, следы которой пытаются обнаружить на LHC в ЦЕРН, но теперь без участия российских ученых?
— Новую физику или, точнее, физику за рамками Стандартной модели (СМ) ищут многими способами. На ускорителях частиц надеются обнаружить рождение новых, неизвестных частиц, что и будет указанием на новую физику. Либо же изучают более прецизионно уже давно известные явления в надежде найти небольшие отклонения, которые можно связать с физикой вне рамок СМ.
Изучение нейтрино также может дать такие указания, и как раз с этой частицей многие теоретики связывают большие надежды. Отмечу, что в рамках современных экспериментов создаются многофункциональные детекторы.
Например, детектор JUNO, создаваемый для прецизионного исследования нейтрино, способен регистрировать не только реакторные антинейтрино, но и нейтрино от Солнца, земной атмосферы, недр Земли (геонейтрино), возможные распады протона и многое другое.
Во всем этом многообразии явлений также будут искать следы физики за рамками СМ.
Что касается компенсации возможностей LHC с помощью нейтринных экспериментов, стоит отметить, что каждый тип исследований играет свою уникальную роль в физике элементарных частиц.
Хотя нейтринные проекты не могут полностью заменить все аспекты исследований, проводимых на LHC, они являются ценным дополнением в понимании структуры материи и основных физических процессов. Более того, вовлечение в нейтринные проекты специалистов, ранее работавших в ЦЕРН, способствует повышению качества и эффективности научных исследований, что является значительным вкладом в развитие науки в нашей стране.
