Международная коллаборация COHERENT

Нейтрино – одна из самых загадочных элементарных частиц. Пока вы читали заголовок этой статьи, через ваше тело беспрепятственно пролетело 10¹³ нейтрино, в основном космического происхождения. А вы этого даже не заметили из-за чрезвычайно малого сечения взаимодействия нейтрино с барионным веществом! Нейтрино играет колоссальную роль в формировании Вселенной, возможно, ещё не до конца осознанную. Существование нейтрино предположил в 1930 году 30-летний профессор Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе Вольфганг Паули для объяснения странной формы спектра бета-частиц, возникающих при распаде тяжёлых атомов. Свою идею он прокомментировал следующим образом: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать такого. Я предположил нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально». Зарегистрировать нейтрино удалось через четверть века. За это открытие американский физик сын эмигрантов из России Фредерик Райнес получил Нобелевскую премию по физике в 1995 году.

Со времени постановки эксперимента Райнеса и Коуэна исследованием свойств нейтрино занимаются тысячи физиков во всех крупных научных центрах мира.  Эта частица и по нынешний день продолжает удивлять научное сообщество своими свойствами. В сентябре 2017 года международная научная коллаборация COHERENT, в которой сотрудники межкафедральной лаборатории экспериментальной ядерной физики (подр.344) НИЯУ МИФИ представляют Россию, сообщила об открытии эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на атомных ядрах в специальном эксперименте на сильноточном протонном ускорителе Spallation Neutron Source (SNS). Это явление предсказал в 1974 году теоретик из Массачусетского технологического института Даниэль Фридман и независимо от него советские физики Л.Л. Франкфурт и В.Б. Копелиович. Для нейтрино относительно небольших энергий (меньше 50 МэВ) сечение процесса УКРН пропорционально квадрату числа нейтронов в ядре и в сотни раз превышает сечение обратного бета-распада, обычного используемого для регистрации нейтрино. Дорогой платой за большую вероятность регистрации нейтрино с помощью процесса УКРН является небольшая энергия, передаваемая тяжёлому ядру в таком взаимодействии. Поэтому для регистрации нейтрино с помощью эффекта УКРН на тяжёлых ядрах необходимо использовать детекторы с высокой чувствительностью к малым ионизационным сигналам.

Эффект УКРН играет важную роль в астрофизических процессах. Так, например, 99% энергии, выделяющейся при взрыве сверхновой звезды, уносится из неё через нейтрино. УКРН в силу своей «нечувствительности» к типу нейтрино является идеальным инструментом для изучения первых мгновений рождения сверхновой звезды после взрыва. Таким образом, детальное знание механизма УКРН очень важно для использования в теоретическом описании процессов образования и эволюции звёзд и самой Вселенной.

Коллаборация COHERENT продолжает изучение эффекта УКРН на различных ядрах с целью проверки теоретически предсказанной зависимости сечения реакции от атомного номера ядра и энергии нейтрино. Отклонение экспериментальных данных от теоретических предсказаний может послужить признаком «новой физики» за рамками Стандартной модели элементарных частиц.

Самым ярким источником нейтрино в ближайшем окружающем нас мире являются ядерные реакторы атомных электростанций. Умение эффективно регистрировать реакторные нейтрино открывает заманчивую перспективу независимого мониторинга состояния активной зоны реакторов на АЭС с целью повышения безопасности атомной энергетики и поддержания международных соглашений о нераспространении ядерного оружия (т. к. эта методика позволяет контролировать изменение содержания изотопа Pu-239 в активной зоне реакторов). Исследование такой возможности ведётся в совместном проекте НИЯУ МИФИ и АО «Наука и инновации» госкорпорации «Росатом», в рамках которого уникальный двухфазный эмиссионный детектор на жидком ксеноне РЭД-100, разработанный и построенный в НИЯУ МИФИ, будет работать на 4-м энергоблоке Калининской АЭС для исследования УКРН в области относительно малых энергий и демонстрации возможности мониторинга активной зоны реактора таким способом.

Следующее поколение двухфазных эмиссионных детекторов, используемых сейчас для поиска тёмной материи, окажется весьма чувствительным к солнечным нейтрино, благодаря эффекту УКРН. И хотя этот процесс создаст неустранимый фон для поиска частиц тёмной материи, зато позволит эффективно регистрировать солнечные нейтрино с целью изучения процессов, происходящих в глубине нашего светила.

Таким образом, эксперимент COHERENT – пионер в открытии и исследовании процесса УКРН - открыл новую страницу в исследовании свойств самой загадочной элементарной частицы, а применение новых знаний открывает новые возможности, как для исследования фундаментальных физических явлений, так и для достижения важных практических целей.