Эксперимент на Борексино

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 35 (2014)

Наша газета уже сообщала о том, что 28 августа коллаборация Борексино объявила о первом прямом наблюдении солнечных pp-нейтрино и о результатах, которые опубликованы в журнале Nature №512 (2014 г.). 5 сентября в Гран Сассо состоялась специальная мини-конференция, посвященная событию, на которой основной доклад представил старший научный сотрудник ЛЯП О.Ю.Смирнов. Расширенная версия этого доклада "Измерение потока солнечных нейтрино из pp-реакции на детекторе Борексино" была изложена 12 cентября на нейтринном семинаре ЛЯП. Интерес к событию, активно обсуждающемуся в научном сообществе, побудил рассказать о Борексино более подробно. После семинара докладчик Олег Юрьевич СМИРНОВ ответил на вопросы Галины МЯЛКОВСКОЙ.

В чем состоит уникальность полученных данных? Какие именно результаты представлены с пометкой "впервые"?

    Следует уточнить, что уникальны не только данные, но и методы, применявшиеся для их обработки. Данные получены на большом детекторе, рабочей средой которого является органический жидкий сцинтиллятор. Как и в любой органике на Земле, в нашем сцинтилляторе присутствует космогенный радиоактивный углерод-14. Тот самый, что используется для радиоизотопного датирования на шкале порядка тысяч лет. Распады углерода-14 в детекторе неотличимы от сигналов, вызываемых взаимодействиями нейтрино, поэтому эти два вклада можно различить только изучая форму наблюдаемого спектра. В принципе, граничная энергия распада углерода-14 намного меньше граничной энергии электронов отдачи для нейтрино из pp-реакции, 156 против 260 кэВ, но при недостаточном энергетическом разрешении спектры перекроются, а поскольку интенсивность сигналов от распадов углерода намного выше ожидаемой от pp-нейтрино, то такое перекрытие может привести к невозможности наблюдения более слабого из двух сигналов.
    Уникальность Борексино в этом отношении состоит, с одной стороны, в высокой очистке от естественных радиоактивных примесей, и, с другой стороны, в тщательном подборе конструкционных материалов с низкой радиоактивностью. Жидкий сцинтиллятор производился по специально разработанным технологическим условиям из ископаемой органики (нефти), что позволило добиться изначально низкого содержания углерода-14. Хотя концентрация изотопа (10^-18 г/г) при прямолинейном подсчете соответствует "всего" сотне тысяч лет (что, конечно, мало по сравнению с возрастом нефти), но это на шесть порядков меньше его концентрации в современной органике. Можно утверждать, что это самая малая из когда-либо зарегистрированных на Земле концентрация углерода-14 в органическом соединении. Борексино создавался для регистрации нейтрино из более энергетической реакции на бериллии-7, и такая низкая концентрация углерода-14 должна была обеспечить отсутствие сколько-нибудь значимого вклада от наложения его сигналов в "энергетическом окне", использовавшемся при анализе сигнала от бериллиевых нейтрино. Вклады углерода-14 и pp-нейтрино при этом просто обрезались энергетическим порогом, что было главным образом связано со сложностью анализа формы спектра углерода-14, но мы нашли способ использовать данные и при низких энергиях.
    Борексино - это детектор реального времени, то есть каждое событие регистрируется отдельно с временной привязкой. При необходимости мы можем разделить данные на любые периоды, например легко проверить суточные вариации сигнала или провести анализ сезонных вариаций нейтринного сигнала, которые присутствуют в данных из-за экцентриситета орбиты Земли.
    При анализе данных используется метод спектральной подгонки, поэтому сигнал от каждой реакции может быть выделен по спектральным особенностям. До Борексино сигнал от pp-нейтрино наблюдался в интегральных радиохимических (галлиевых) экспериментах, где он составляет приблизительно половину счета, но выделить сигнал от pp-нейтрино в данных невозможно без привлечения данных других экспериментов. В этом смысле Борексино впервые наблюдает сигнал "напрямую", то есть без привлечения данных других экспериментов.

Применялись ли новые технологии или нестандартные технические решения для создания установки?

    Основной проблемой при создании детектора была остаточная радиоактивность жидкого сцинтиллятора из цепочек распада урана-238 и тория-232. Для понимания сложности проблемы можно упомянуть, что стакан питьевой воды имеет типичную естественную радиоактивность, соответствующую одному распаду в секунду. Ожидаемый сигнал от бериллиевых нейтрино составлял около 50 событий в день на 100 тонн сцинтиллятора. Если бы радиоактивность жидкого сцинтиллятора соответствовала радиоактивности питьевой воды (которую никто не назовет радиоактивной, это обычная вода), то счет фоновых событий составил бы приблизительно 10¹⁰ в день на сто тонн. Как видите, требуется очистка на девять порядков величины, чтобы появилась возможность регистрации нашего сигнала. Над проблемой высокой очистки жидкого сцинтиллятора коллектив Борексино работал практически все 15 лет подготовки эксперимента. Можно констатировать, что проблема была успешно решена, более того, достигнута чистота сцинтиллятора по урану и торию на два порядка более высокая, чем было запланировано в техническом задании, что позволило расширить изначальную физическую программу эксперимента.

Расскажите о вкладе дубненской группы.

    Наша группа разработала методику анализа данных детектора при низких энергиях с целью выделения сигнала от pp-нейтрино. Прежде всего мы тщательно продумали выбор энергетической переменной. Для анализа в бериллиевом "энергетическом окне" использовались сигналы с фотоумножителей в достаточно широком временном диапазоне, что, естественно, увеличивало вероятность наложения сигналов. Учитывались и другие факторы, которые были несущественны ранее, но, как нами установлено, могли приводить к искажению спектров сигналов при малых энергиях. Были заново разработаны критерии отбора данных для малых энергий. Мы придумали метод точного независимого определения концентрации углерода-14 в сцинтилляторе, разработали методику моделирования сигналов наложения, уточнили модель данных при малых энергиях. Особое внимание уделили разработке точной аналитической модели для шкалы и зависимости энергетического разрешения. Был выявлен вклад в ширину сцинтилляционной линии, отсутствующий в модельном описании детектора. И, последнее, но, возможно, наиболее важное, - мы смогли аналитически описать функцию отклика, точно описывающую слегка несимметричную форму отклика сцинтилляционного детектора. В отсутствие простой аналитической формы пришлось бы применять моделирование методом Монте-Карло, что для огромной статистики набранных данных оказалось бы просто неподъемной задачей с точки зрения компьютерных вычислений.

Практически любой физический эксперимент - это продолжение исследований. Какие открытия, выводы, данные каких экспериментов предшествовали успеху Борексино?

    Нейтринная физика, и, в частности, физика солнечных нейтрино, традиционно была в центре внимания советских и российских ученых. В ОИЯИ нейтринная тематика связана с именем Бруно Понтекорво. Другим крупным нейтринным центром в СССР и России является ИЯИ РАН. Физики из ИЯИ создали уникальную лабораторию - Баксанскую нейтринную обсерваторию (БНО). По масштабам она даже превосходит подземную лабораторию в Гран Сассо, в Италии, где расположен детектор Борексино. В БНО до сих пор существует установка SAGE (советско-американский галлиевый эксперимент), на которой накапливается статистика солнечных нейтрино с низким порогом, половину сигнала составляют pp-нейтрино. Интересно отметить, что американцы при полной свободе выбора предпочли работу с советскими учеными, а не присоединились к европейскому эксперименту GALLEX (позднее GNO). Эксперимент набирает данные с 1989 года до настоящего времени, установка не прекращала свою работу в 90-х, несмотря на известные трудности, и на сегодня является единственным действующим радиохимическим экспериментом.

В чем значимость последних результатов Борексино для физики нейтрино в целом?

    Значимость результата состоит скорее в демонстрации возможности прямого наблюдения нейтрино из pp-реакции. Точность измерения потока составляет около 10 процентов, такую же точность дает оценка сигнала от pp-нейтрино с использованием комбинации данных других экспериментов (SAGE, GALLEX/GNO, SuperKamiokaNDE, SNO) и результата Борексино по измерению бериллиевых нейтрино. Комбинация всех результатов позволяет более точно определить параметры осцилляций в вакуумном режиме, нейтрино малых энергий "нечувствительны" к солнечному веществу. Знание параметров осцилляций важно с точки зрения подготовки следующего поколения ускорительных и реакторных экспериментов, чувствительных к иерархии масс нейтрино. Результат подтверждает также стационарность Солнца на временной шкале в сотни тысяч лет: нейтрино дают картину энерговыделения "сейчас", солнечная светимость соответствует энерговыделению в далеком прошлом, фотоны из центра Солнца выходят на поверхность за счет медленного процесса диффузии, занимающего сотни тысяч лет.