Дмитрий Акимов: Мы увидели процесс, предсказанный 43 года назад

Журнал Science объявил победителя народного голосования «Научный прорыв года». В число финалистов вошел детектор нейтрино объемом с трехлитровую банку, разработанный и построенный группой COHERENT. Напомним, что обычно нейтрино ловят с помощью огромных установок — например, детектор IceCube представляет собой 86 гирлянд с фотодатчиками, расположенных внутри кубического километра льда. Особенностью нового детектора является не только размер, но и принцип работы — с его помощью ученые впервые зарегистрировали процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах (CEνNS). Об этом рассказал участник группы COHERENT, начальник лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики, сотрудник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», кандидат физико-математических наук Дмитрий Юрьевич Акимов.

- Для начала давайте разберемся, на чем основана работа нового детектора. Что такое упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомных ядрах, когда его открыли?

- Теоретически этот процесс был предсказан Дэвидом Фридманом в 1973 году, примерно через год после того, как в ЦЕРНе открыли нейтральные токи для нейтринного взаимодействия. Нейтральный ток возникает, когда нейтрино обменивается с кварком нейтральным Z-бозоном. В результате частицы взаимодействуют друг с другом (например, отталкиваются), причем в ходе взаимодействия их свойства не меняются. Отдаленно это похоже на отталкивание двух электронов, в котором переносчиком взаимодействия является виртуальный фотон, а не Z-бозон.

Фридман заметил, что в некоторых случаях нейтрино должно взаимодействовать не с отдельными кварками или нуклонами, а сразу со всем ядром. Связано это с соотношением неопределенностей Гейзенберга: чем меньше импульс, переданный от нейтрино ядру, тем больше неопределенность координаты места, в котором произошло взаимодействие. При некоторых значениях импульса эта неопределенность становится сравнима с размером ядра, и модель отдельных нуклонов не работает. Поэтому взаимодействие происходит со всеми нуклонами сразу, то есть когерентно. При этом энергия нейтрино сохраняется — взаимодействие упругое.

Разумеется, чем больше энергия нейтрино, тем больший импульс оно может передать ядру в результате взаимодействия. Поэтому условие когерентности выполняется только для сравнительно низких энергий — для тяжелых ядер с атомным номером больше ста эта энергия не превышает пятидесяти мегаэлектронвольт. Конечно, в действительности все немного сложнее и импульс отдачи может быть мал даже в случае более высокой энергии нейтрино — если угол его рассеяния будет близок к нулю, то есть, грубо говоря, если нейтрино заденет ядро по касательной, а не врежется в самый его центр. Однако чем больше энергия, тем меньше диапазон допустимых углов и тем ниже вероятность когерентного рассеяния. Поэтому при энергиях больше пятидесяти мегаэлектронвольт процесс все-таки почти не идет. Зато при меньших энергиях упругое когерентное рассеяние есть, причем его сечение пропорционально квадрату числа нейтронов ядра.

Фотография исследователей с прототипом детектора (Juan Collar / COHERENT Collaboration)

- Между теоретическим предсказанием и открытием процесса прошло больше сорока лет. Почему поставить эксперимент было так сложно?

- Проблема в том, что упругое когерентное рассеяние происходит только при малых импульсах отдачи ядер, а чем меньше переданный импульс, тем сложнее зарегистрировать такое событие. В результате одного акта рассеяния нейтрино в веществе детектора выделяется энергия порядка десяти килоэлектронвольт, это очень мало. Скажем, литр воды при сообщении такой энергии нагреется всего на 4×10⁻¹⁹ градусов.

Вообще говоря, диапазон килоэлектронвольтных энергий вполне доступен для современных детекторов элементарных частиц. Но сложность здесь в том, чтобы создать детектор, обладающий значительной массой — чем больше, тем лучше, но не менее нескольких килограммов. Одновременно необходимо сделать его низкофоновым, то есть по возможности уменьшить вероятность всех других взаимодействий в нем, кроме полезных.

Первая идея детектора, способного зарегистрировать «нужные» события с такими энергиями, появилась примерно через десять лет после статьи Фридмана. Тогда экспериментаторы предложили использовать материал, состоящий из большого числа микроскопических независимых сверхпроводящих гранул, помещенных во внешнее магнитное поле. Чем хорош сверхпроводник? Его теплоемкость при низких температурах быстро стремится к нулю, и поэтому он сильно нагревается даже при небольшом притоке энергии. А еще, как мы знаем, из сверхпроводника выталкивается магнитное поле. Когда ядро приобретает небольшой импульс из-за упругого когерентного рассеяния нейтрино, вся гранула нагревается и переходит из сверхпроводящего состояния в обычное. В результате напряженность магнитного поля изменяется, и величину этого изменения уже можно как-то измерить.

К сожалению, довести эту идею до реального эксперимента оказалось очень сложно. К тому же такой детектор обладает рядом недостатков, например, он не позволяет точно сказать, в каком месте произошло взаимодействие нейтрино с веществом. Из-за этого нельзя исключить события, в которых мы регистрируем не одно, а сразу несколько нейтрино, нельзя отличить их от взаимодействий, характерных для фонового «загрязнения» нейтронами и гамма-квантами. Кроме того, нельзя выделить внутреннюю область детектора, защищенную от внешнего радиоактивного фона самим же веществом детектора (в иностранной литературе ее обычно называют fiducial volume).

- Но ведь ученые как-то справились с этой проблемой.

- Да, хотя идея оказалась не очень плодотворной, она стимулировала развитие других технологий, направленных в первую очередь на поиск гипотетических частиц темной материи (вимпов), а заодно и упругого когерентного рассеяния нейтрино. Вообще говоря, эти два типа частиц очень похожи по способу детектирования — в обоих случаях взаимодействие идет с атомным ядром. Как правило, группы, которые ищут темную материю, включают в свои программы поиск когерентного рассеяния нейтрино. Например, коллаборация ZEPLIN, в которой наша группа (из ИТЭФа) участвовала десять лет назад, в основном занималась поиском вимпов, однако она параллельно рассматривала возможность поиска когерентного упругого рассеяния нейтрино.

Так, значительно усовершенствовались детекторы темной материи, основанные на жидких благородных газах — ксеноне, аргоне. Это проекты XENON (XENON100 и XENON1T), PandaX, DarkSide50 и другие. В основе конструкции этих детекторов лежат огромные баки, заполненные холодным сконденсированным до жидкого состояния газом. Жидкий газ находится в однородном электрическом поле, которое создается специальными электродами, и просматривается фотоумножителями — сверхчувствительными приборами, способными видеть даже единичные фотоны. Когда какая-либо частица, в том числе гипотетическая частица темной материи, взаимодействует с атомами благородного газа, возникает световая вспышка, которая регистрируется фотоумножителем. Кроме того, частица ионизирует среду, возникают электроны. Затем электроны вытягиваются электрическим полем из жидкой фазы в газовую и дают электролюминесцентную вспышку, которую фотоумножители тоже видят.

Детектор XENON1T (XENON1T collaboration)

Этот метод регистрации частиц, называемый эмиссионным двухфазным методом, оказался очень мощным инструментом в экспериментах по поиску темной материи, поскольку позволил очень эффективно бороться с внешним гамма-фоном. Кстати, этот метод впервые предложили в 70-е годы ученые из МИФИ. Правда, темную материю в виде вимпов до сих пор не открыли, вместо этого экспериментаторы определяют ограничение на максимальное сечение взаимодействия этих гипотетических частиц с обычной материей. С появлением эмиссионных детекторов на жидком ксеноне пределы резко пошли вниз. Сейчас они составляют, по-моему, около 10⁻⁴⁶квадратных сантиметров.

На самом деле, в основном мы занимались и занимаемся разработкой именно эмиссионных детекторов на жидких благородных газах. Например, мы построили детектор RED100 — расшифровывается как Russian Emission Detector, российский детектор излучения, сто килограмм ксенона в fiducial volume. Сейчас он находится в МИФИ и уже практически готов к работе. Конечно, мы столкнулись с несколькими проблемами, пока разрабатывали детектор, — например, очень сложно было почистить ксенон, который используется в нем в качестве рабочей среды. Но мы с этой задачей справились, и сейчас Россия является одной из немногих стран, в которых умеют получать пригодный для подобных экспериментов ксенон.

Необходимо сказать еще пару слов об истории создания детектора RED100, поскольку он связан с экспериментом COHERENT. Вообще говоря, этот эксперимент предполагает создание нескольких детекторов, которые более подробно изучат упругое когерентное рассеяние нейтрино. Например, проверят, что сечение процесса действительно пропорционально квадрату числа нейтронов. Изначально детектор RED100 тоже строился в рамках этой программы, и мы рассматривали два места проведения эксперимента с этим детектором — на ускорителе SNS в Ок-Ридже и на Калининской атомной электростанции в городе Удомля. Но так уж сложилось, что RED100 в Ок-Ридж не поехал, и теперь мы планируем проводить эксперимент на Калининской АЭС.

Беседовал Дмитрий Трунин

Полный текст N+1