Физика нейтрино и нейтринная астрофизика

    По-видимому, самой загадочной из известных частиц является нейтрино. Это поистине частица-невидимка. Она не имеет заряда и, поскольку ее масса практически нулевая, движется со скоростью света. Нейтрино не участвует в двух самых интенсивных фундаментальных взаимодействиях - сильном и электромагнитном, - с помощью которых 'видят' все остальные частицы. Нейтрино 'откликается' только на слабые силы (гравитационные силы для него ничтожны). А эти силы, во-первых, рекордно короткодействующие (их радиус 10^-16 см, т.е. в 1000 раз меньше диаметра протона), а, во-вторых, по-настоящему слабы (намного порядков слабее электромагнитных и тем более сильных). Поэтому нейтрино преодолевает невообразимые толщины вещества, не реагируя на его присутствие. По существу материя прозрачна для нейтрино. Достаточно сказать, что нейтрино, двигаясь в твердой среде, способно пролететь расстояние в десятки световых лет без взаимодействия.
    Существует три типа нейтрино (и антинейтрино) - электронное, мюонное и тау. Долгое время считали (и это заложено в Стандартную Модель элементарных частиц), что все нейтрино безмассовы. Однако появившиеся в последние годы эксперименты с внеземными (идущими от Солнца, а также рождаемыми космическими лучами в атмосфере Земли) и реакторными нейтрино (антинейтрино) убедительно показали, что существуют физические явления, не укладывающиеся в Стандартную Модель. Аномалии, обнаруженные в потоке электронных нейтрино от Солнца и атмосферных мюонных нейтрино, объясняются тем, что нейтрино имеют массы (хотя и незначительные) и в процессе полета с определенной периодичностью переходят из одного типа в другой и обратно. Этот квантовомеханический эффект сродни биениям, возникающим в системе с двумя-тремя (по числу типов нейтрино) близкими собственными частотами колебаний (их эквивалентами в квантовой механике являются массы частиц) и носит название 'осцилляций нейтрино'.
    Обнаружение осцилляций нейтрино и других необычных эффектов, связанных с нейтрино, вызвало небывалый всплеск интереса к нейтринной физике. В различных точках Земного шара строятся нейтринные детекторы различного типа. Они имеют большие чувствительные объемы
(до 1 км³) и размещаются глубоко под водой или землей, чтобы предельно снизить естественный фон. Эти глубоководные и подземные нейтринные детекторы могут регистрировать как космические, так и ускорительные (т.е. рожденные на ускорителях) нейтрино. Глубоководные нейтринные детекторы-телескопы предназначены для регистрации нейтрино в области энергий от 100 ГэВ (1 ГэВ = 10⁹ эВ) до десятков ПэВ (1 ПэВ = 10¹⁵ эВ). Регистрация таких нейтрино открывает новую эру в астрофизике и явится фундаментальным вкладом в теорию строения Вселенной. В частности с помощью этих детекторов можно изучать сигналы, идущие от таких объектов Вселенной как Сверхновые, активные ядра галактик, черные дыры, микроквазары и источники мощных гамма-вспышек. Поскольку для нейтрино космическая среда практически прозрачна, они двигаются в ней по прямой и приносят наблюдателю точную (неискаженную полетом) и самую непосредственную информацию о месте своего образования и тех процессах в источнике, которые их генерировали. Информативность нейтрино об астрофизических объектах беспрецедентна.

    Астрофизические нейтрино регистрируют главным образом по излучению Вавилова-Черенкова. Взаимодействуя с веществом Земли, нейтрино создают заряженные частицы, которые при движении в оптически прозрачной среде вызывают вторичное черенковское излучение. Этот 'отклик' от нейтрино может быть зарегистрирован обычным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), а веществом, генерирующим его, может быть морская вода. На основе данных о распределении потоков нейтрино в качестве наиболее удачного места размещения подводных нейтринных телескопов большого объема был выбран бассейн Средиземного моря. В настоящее время нейтринный средиземноморский проект включает в себя детекторы ANTARES (40 км к югу от Тулона, глубина 2.5 км, объем 0.1 км³) и NEMO (80 км от мыса Capo Passero, юго-восточной оконечности Сицилии, глубина 3.5 км, объем 1 км³). Первый детектор начал свою работу, второй находится в стадии подготовки.

Местоположение глубоководных нейтринных телескопов ANTARES и NEMO.

Общий вид подводного телескопа ANTARES (глубина 2.5 км, объем 0.1 км3). Он состоит из вертикальных тросов (струн), на которых насажены триплеты из светочувствительной аппаратуры.

Е.В.Широков

    Одним из основных участников проекта NEMO-ANTARES является INFN - Национальный институт ядерной физики (Италия), с которым сотрудничает кафедра Общей ядерной физики нашего факультета. Вместе с INFN (отделения в Генуе и Катании) активное участие в работе над проектом принимают сотрудники выпускники и студенты кафедры (доцент Е.В.Широков, выпускник, сотрудник НИИЯФ МГУ В.А.Куликовский  и др.). Этой научной группой выполнено моделирование и оптимизация основных компонентов детектора NEMO, а также ряд работ по сборке и тестированию главных частей детектора.

Выступление научного сотрудника НИИЯФ МГУ, выпускника кафедры Владимира Куликовского на рабочем совещании коллаборации АNТАРЕS.

О.Д. Ершова

    В 2008 г. выпускница кафедры О.Д. Ершова удостоена первой премии конкурса дипломных работ им. Р.В.Хохлова за исследования акустического метода регистрации нейтрино, выполненные в рамках проекта NEMO-ANTARES. В настоящий момент в задачу данной научной группы кафедры, совместно с итальянскими коллегами, входит анализ данных, получаемых на первой очереди детектора NEMO.

Нейтринная лаборатория GRAN SASSO (Италия) и проект BOREXINO

А.С.Чепурнов

    Студенты, аспиранты и выпускники кафедры во главе со старшим научным сотрудником канд. физ.-мат. наук А.С.Чепурновым участвуют в реализации крупного нейтринного проекта Borexino, осуществляемого подземной нейтринной лабораторией Гран Сассо Национального института ядерной физики Италии (INFN).

    Лаборатория Гран Сассо расположена под горой Гран Сассо в центральной области Италии на глубине 1400 м, что ослабляет поток фоновых мюонов космических лучей в 10⁶ раз и обеспечивает исключительно низкофоновые и поэтому чрезвычайно благоприятные условия для регистрации редких событий, характерных для нейтринных опытов.

    Лаборатория состоит из трех залов высотой около 20 м и длиной 100 м, а также ряда тоннелей для обслуживания и обеспечения безопасности. В подземную лабораторию въезжают по тоннелю автострады, соединяющей города L'Aquila и Teramo, расположенные по разные стороны горного массива (см. рисунок). Инфраструктура лаборатории дополняется рядом зданий на поверхности, в которых находятся офисы, лаборатории, мастерские, библиотека, столовая.
    Задачей эксперимента Borexino является определение с высокой точностью потока солнечных нейтрино и изучение осцилляций этих нейтрино. Напомним, что основным процессом, обеспечивающим энергетику Солнца, является цикл ядерных реакций 'горения' водорода, в результате которых из четырех протонов, получается ядро гелия, два позитрона и два электронных нейтрино. На своем пути к Земле электронные нейтрино за счет осцилляций успевают частично превратиться в нейтрино других типов - мюонное и тау.

Детектор BOREXINO без внешней защиты. Диаметр шара 13.7 м. Поверхность шара "усыпана" 2200 ФЭУ.

    Недостатком прошлых экспериментов по регистрации солнечных нейтрино было то, что они имели высокий энергетический порог и поэтому 'не видели' очень важной низкоэнергичной компоненты солнечных нейтрино - нейтрино с энергией 0.86 МэВ, возникающих при бета-распаде образующихся в процессе горения водорода ядер ⁷Ве (бериллий-7) и особенно чувствительных к параметрам нейтринных осцилляций. Измерение этих нейтрино в реальном времени и является основной целью эксперимента Borexino. Чтобы уловить столь незаметные частицы, ученым пришлось сделать нейтринный детектор, к которому предъявлялись очень высокие требования. Он представляет собой купол 18-метровой высоты, заполненный 2500 т ультрачистой воды, предназначенной для блокировки естественного радиационного фона. Внутри него располагается шар со 100 тоннами жидкого сцинтиллятора, в котором происходят световые вспышки, сопровождающие попадание в него нейтрино. Эти вспышки регистрируют 2200 ФЭУ.