Основные источники нейтрино в природе

    В этой лекции будет приведен общий обзор основных источников нейтрино. Наглядное представление об ожидаемых интенсивностях потока нейтрино в широком энергетическом диапазоне можно получить из зависимости потока нейтрино от энергии (G.Giagomelli, 2002). На следующих слайдах будут очень кратко перечислены все источники.

Реликтовые нейтрино

    Согласно современной космологии Вселенная заполнена реликтовыми нейтрино. Современная концентрация всех сортов нейтрино (электронных, мюонных и тау) равна 330 см^–3. Энергия реликтовых нейтрино примерно такая же, как и у реликтовых фотонов (температура нейтринного газа ~ 2 K). Нейтринный газ образует так называемую Горячую Темную Материю (Hot Dark Matter), затрудняющую формирования структур (галактик и скоплений галактик) во Вселенной. Новые эксперименты, изучающие флуктуации температуры реликтового чернотельного излучения, а также данные по распределению масс на космологических масштабах позволяют получить ограничение на плотность Горячей Темной Материи и, соответственно, на массу нейтрино. Так, анализ данных эксперимента WMAP (D.Spergel et al., 2003) показывает, что сумма масс всех сортов нейтрино должна быть меньше 0.7 эВ. Лучшее ограничение на массу электронного нейтрино, полученное в лабораторных экспериментах, в настоящее время около 2 эВ. Таким образом, в настоящее время космологический предел на массу нейтрино существенно лучше лабораторного. Тем не менее, нельзя считать космологическое ограничение полностью модельно независимым, т.к. оно во многом основывается на доминировании во Вселенной не идентифицированной пока Холодной Темной Материей (Cold Dark Matter).
    Непосредственно зарегистрировать сигнал от реликтовых нейтрино крайне сложно. Возможно, самый многообещающий подход к регистрации реликтовых нейтрино – регистрация механического воздействия нейтрино на макроскопическую мишень. Ожидаемое ускорение не зависит от массы мишени и приблизительно равно при этом 10^-23 см/сек².

Диапазон 0.1 –100 МэВ

1. Солнечные нейтрино
2. Нейтрино от гравитационных коллапсов
3. Нейтрино от ядерных реакторов
4. Нейтрино из центра Земли

    Солнечные нейтрино
    Солнце является мощным источником нейтрино. Энергетический спектр солнечных нейтрино простирается от нуля до 19 MэВ. Полный поток солнечных нейтрино около Земли примерно равен 6·10¹⁰ см^-2сек^-1. Первая регистрация солнечных нейтрино была осуществлена в конце 60-х годов Раймондом Дэвисом (Нобелевская премия за 2002 год). С тех пор в этом разделе нейтринной астрофизики достигнуты впечатляющие результаты

    Нейтрино от гравитационных коллапсов
    Вспышки сверхновых второго рода - одно из грандиознейших явлений во Вселенной. Cогласно теории звездной эволюции (С.Шапиро,С.Тьюкальски, 1985), в процессе последовательного "сгорания" легких элементов в центре массивной звезды
(M > 10M ) образуется железное ядро с массой
(2 - 2.5)M. Дальнейшие реакции синтеза становятся невозможны, т.к. энергия связи нуклонов в ядре железа максимальна (~ 8 МэВ). Плотность в центре звезды достигает ~10⁹ г/см³. Звезда теряет устойчивость, и происходит катастрофическое сжатие вещества с образованием нейтронной звезды с плотностью уже ~10¹³ г/см³ и температурой 3 – 4 МэВ. Изменение гравитационной энергии связи от начального состояния до конечного составляет:

E = GM²/2R ~ 3·10⁵³ эрг, (M ~ 1.5M, R ≈ 10 км).

    Девяносто девять процентов этой энергии переходит в нейтрино и антинейтрино всех сортов и только 1% переходит в кинетическую энергию разлетающейся оболочки и световую вспышку.

Нейтрино от делептонизации (0 – 10-1 сек) e− + p → n + νe e− + ZA → n + νe Термальные нейтрино e+e− → νii, i = e, μ, τ

    Поддающейся детектированию нейтринный импульс при гравитационном коллапсе состоит из двух частей. Первый импульс состоит из электронных нейтрино, образующихся при делептонизации (захват электронов протонами и более тяжелыми ядрами). Длительность этого импульса порядка 10 мс. При этом уносится 5% полной энергии, высвободившейся во время коллапса.
Наибольшее число нейтрино возникает при тепловом охлаждении образовавшийся нейтронной звезды за счет процессов аннигиляции электронов и позитронов. Длительность нейтринного импульса
~10 сек. Средняя энергия электронных нейтрино
~12 МэВ, электронных антинейтрино ~ 15 МэВ, а для других сортов ~ 18 МэВ

    Вспышка SN1987a (23 февраля 1987)
    Изложенная выше картина основана на теоретических представлениях и численных расчетах и была экспериментально проверена только один раз - в 1987 при регистрации нейтринного сигнала от вспышки сверхновой в Большом Магеллановом Облаке (В.Имшенник, Д.Надежин, 1988). Вспышка произошла на расстоянии 55 кпарсек от Земли и тремя работавшими нейтринными телескопами (IMB, Kamiokande и Баксанским сцинтилляционным телескопом) было зарегистрировано около 20 нейтринных событий. Количество событий, их энергия и распределение во времени качественно совпали с предсказаниями теории. За 5 часов до этого установкой LSD было зарегистрировано 4 нейтринных события. Эти 4 события, зарегистрированные установкой с массой, существенно меньшей, чем IMB и Kamiokande, не укладывались в стандартную картину звездного коллапса и в течение длительного времени игнорировались. Только в последнее время появилась весьма интересная интерпретация возможной природы этих событий (V.Imshennik, O.Ryazhskaya, 2004). Безусловно, регистрация временной структуры, энергетического спектра и доли нейтрино различных сортов даст весьма важную информацию для понимания такого сложного явления, как звездный коллапс.

    Нейтрино от ядерных реакторов
    Ядерный реактор является наиболее мощным на Земле источником антинейтрино.
При одном деление ядра урана образуются два осколка с избыточным числом нейтронов. Среднее число β-распадов, испытываемых обоими осколками, равно 6.
    Таким образом, на 200 МэВ (энергия выделяемая при одном делении) рождается 6 электронных антинейтрино в диапазоне энергий от нуля до примерно 8 МэВ. Легко вычислить, что в реакторе с мощностью 1000 МВт будет рождаться 10²⁰ электронных антинейтрино. Поток нейтрино на расстоянии 10 м от активной зоны реактора составит 10¹³ см^-2с^-2.

    Кратко перечислим основные результаты, полученные при исследовании нейтрино от ядерных реакторов, и направления будущих работ. Первое – это само открытие нейтрино в эксперименте Райнеса-Коуэна и исследование взаимодействий нейтрино с ядрами и электронами. Второе направление фундаментальных исследований – поиск осцилляций нейтрино. Эксперименты в этом направлении были начаты в начале 80-х годов. Постепенное развитие экспериментальной техники позволило в начале этого века получить положительный результат – в японском эксперименте KamLAND были подтверждено существование осцилляции. В этом уникальном эксперименте нейтринный поток регистрировался от совокупности всех ядерных реакторов Японии.
    С точки зрения методики регистрации детектор KamLAND похож на детектор Райнеса-Коуэна.
Существенно изменились масштабы эксперимента. В детекторе Райнеса-Коуэна было использовано около тонны жидкого сцинтиллятора, а в детекторе KamLAND 1000 тонн сцитиллятора.
    До сих пор нейтринные эксперименты, хотя и оказывали косвенное влияние н развитие техники, тем не менее, не имели непосредсвенного выхода в прикладную область. Пункты 3 и 4 относятся именно к прикладной области нейтринных экспериментов. Измеряя энергетический спектр нейтрино, можно получать информацию о составе реакторного топлива топлива без остановки реактора. Система больших нейтринных детекторов может осуществлять контроль за нейтринным фоном на нашей планете и даже определять, где появились новые ядерные реакторы. Кроме того, по энергетичеким спектрам нейтрино возможно отличать мирную атомную станцию от завода по производству плутония. Это, безусловно, очень важно для контроля за распространением ядерного оружия.

    Нейтрино из центра Земли
    Известно, что полная мощность выделяемая внутри Земли составляет около 4·10¹³ Вт. Что является источником этой энергии? Какой вклад в полное энерговыделение вносит распад радиоактивных элементов U/Th - рядов? Частично на эти вопросы можно получить ответ, регистрируя нейтрино, образующиеся в цепочке распада урана и тория. Как известно, земное магнитное поле непостоянно в больших временных масштабах и полная переориентация Земного магнитного диполя происходит в среднем с периодом 200 000 лет. В 90-е годы для объяснения такого поведения магнитного поля была выдвинута гипотеза о существовании ядерного геореактора в центре Земли (J.Herndon, 1993, 2003). Мощность геореактора - 3 - 6 ТВт. Отделить нейтрино от геореактора от уран/ториевых нейтрино можно по энергии: энергия уран/ториевых нейтрино не превышает 3 МэВ, а энергетический спектр нейтрино от реактора простирается до 8 МэВ. Детектор для поиска нейтрино от геореактора должен быть достаточно удален от промышленных реакторов. Весьма удобным местом для расположения детектора является Баксанская нейтринная обсерватория (G.Domogatski, 2004).
    Летом 2005 коллаборации KamLand (T.Araki et al., 2005) сообщила о регистрации первых геонейтрино. Таким образом, можно считать, что появился новый раздел геофизики – нейтринная геофизика.

Диапазон 1 ГэВ –100 ТэВ

    Атмосферные нейтрино
    Атмосферными нейтрино принято называть нейтрино, образующиеся при взаимодействии космических лучей с ядрами воздуха. Мюонные нейтрино рождаются в основном при распаде пионов, каонов и мюонов, а электронные – при распаде мюонов. Таким образом, на одно электронное нейтрино приходится два мюонных. Фактически энергетический спектр атмосферных нейтрино простирается до 10²⁰ эВ, т.е. до максимальной энергии космических лучей, но, по-видимому, при энергиях выше 10¹⁴-10¹⁵ эВ в полном потоке нейтрино начинают доминировать нейтрино космического происхождения. При изучении атмосферных нейтрино было открыты явление осцилляции нейтрино. Это одно из наиболее важных открытий для физики элементарных частиц за последние 10 – 15 лет и первое указание на новую физику за границами Стандартной Модели элементарных частиц.
    Диапазон 100 ГэВ – 100 ПэВ – космические нейтрино высоких энергий.
    Диапазон >100 ПэВ – нейтрино ультравысоких энергий.