SNO – канадская нейтринная обсерватория, созданная в 1999
году. Главный объект исследований – солнечные нейтрино. Кроме того, здесь
претворялись в жизнь проекты регистрации атмосферных нейтрино, а вместе с
японским Super-Kamiokande и итальянским Large Volume Detector (Гран-Сассо) SNO
стал частью проекта раннего предупреждения о взрывах сверхновых (Supernova Early
Warning System).
Сердце обсерватории – детектор, расположенный на глубине
около 2 км, в шахте Крейтон, Садбери. Детектор представляет собой громадный
шарообразный сосуд, заполненный тяжёлой водой. На его внутренней поверхности
размещены ФЭУ.
После 2006 года, когда работы по SNO были завершены,
подземная лаборатория (SNOLAB ) была расширена. Оборудование было обновлено под
нужды нового проекта – SNO+.
II. Идея эксперимента
После завершения работ по SNO был предложен новый
эксперимент. Тяжёлая вода из акрилового сосуда детектора была удалена. Теперь её
предполагается заменить жидким сцинтиллятором. Количество света, производимое в
этой органической жидкости при взаимодействии с заряженными частицами,
существенно больше, чем для тяжёлой воды. Это позволит регистрировать нейтрино
более низких энергий, чем было возможно в эксперименте SNO.
Кроме того, - и это важное отличие от прочих жидкостных
сцинтилляторных экспериментов, - детектор SNO + будет содержать растворённый
неодим - 150Nd.Это позволит произвести поиск безнейтринного двойного
бета-распада данного изотопа. Наблюдение этого редкого процесса дало бы ответ на
вопрос о тождественности нейтрино и антинейтрино, а также оказало существенную
помощь в определении массы нейтрино.
Информация, полученная в ходе
эксперимента, будет полезна как физике частиц, так и астрофизике, геофизике.
III. Детектор
SNO+ - новый килотонный жидкий сцинтилляционный детектор
для изучения нейтрино. Он расположен на глубине 2 км под землёй в Крейтонской
шахте, Садбери, Канада (провинция Онтарио). Сердце детектора – 12-двенадцатиметровая
акриловая сфера, заполненная почти 1000 тонн жидкого сцинтиллятора. Сфера
плавает в водной ванне. Этот объём окружён 10 000 фотоумножителей. Сама сфера,
ФЭУ и поддерживающие конструкции перешли детектору в наследство от его
предшественника – SNO , так что внешний его вид практически не изменился.
Детектор даёт возможность регистрировать приходящие нейтрино
по вторичным заряженным частицам, рождённым во взаимодействиях нейтрино с
электронами и ядрами вещества. Главное отличие SNO + от SNO в том, что последний
полагался при детектировании в основном на черенковское излучение.
Сцинтилляционные же эффекты позволят существенно увеличить световое излучение.
В качестве рабочего вещества детектора было выбрано LAB (linear
alkyl benzene ) – сцинтиллятор нового типа. Кроме хорошего светового выхода и
высокой прозрачности, LAB очень удобен химически, совместим с акрилом, дёшев и
доступен в больших количествах.
Все эти достоинства переоборудованного детектора позволят
регистрировать природные электронные антинейтрино – т.н. геофизические;
электронные нейтрино от удалённых реакторов, что позволит подтвердить факт
нейтринных осцилляций и исследовать их параметры; низкоэнергетические солнечные
нейтрино. Также жидкий сцинтиллятор сохраняет отличные возможности наблюдения
нейтрино от сверхновых. Наконец, открывается возможность исследования двойного
бета-распада.
IV. Научные цели
Один из важнейших открытых вопросов нейтринной физике –
является ли нейтрино майорановской частицей или же дираковской. Главное отличие
первых от вторых в том, что майорановская частица идентична античастице.
Майорановское нейтрино отлично от антинейтрино лишь спиральностью, т.е.
проекцией спина на импульс. Таким образом, майорановская частица
может взаимодействовать как античастица, и наоборот, ведь спиральность зависит
от системы отсчёта. (В системе отсчёта, движущейся быстрее частицы, спиральность
обращается.)
Предположение, что нейтрино – майорановская частица, имеет
множество сторонников, т.к. теория Майораны содержит механизм, который объяснил
бы малость массы нейтрино.
Ключ к определению истинной природы нейтрино лежит в
наблюдениях реакций двойного бета распада. В обычном случае реакция выглядит
так:
(A,Z) → (A,Z+2) + 2e- + 2e.
Однако если нейтрино майорановские, то возможен процесс,
где одно антинейтрино поглощается другим, ведущим себя как нейтрино. В
результате получим безнейтринный двойной бета-распад:
(A,Z) → (A,Z+2) + 2e-.
К сожалению, безнейтринные распады, если и разрешены,
составляют лишь малую часть всех двойных распадов. Необходима уверенность, что
окажется возможным отличить моноэнергетические электронные пары безнейтринного
распада от протяжённого спектра пар обычного двойного распада. Отсюда требование
хорошего разрешения по энергии.
Кроме того, эксперимент должен быть «большим». Безнейтринные
распады столь редки, что для набора значимой статистики необходимо громадное
количество бета-активного изотопа. По сумме двух требований было решено
растворить в детекторе SNO+ 56 кг 150Nd. Достоинство этого изотопа в
том, что он относительно доступен в производстве и обладает хорошим отношением
вероятностей обычных и безнейтринных распадов: ~ 4∙103. Хотя
энергетическое разрешение SNO + не так велико, как хотелось бы, но спасают
размеры детектора – количество изотопа, которое можно разместить в нём,
действительно велико. По оценкам, SNO+ окажется способен зарегистрировать
безнейтринный распад вплоть до масс нейтрино порядка 80 мэВ.
Солнечные нейтрино
Важной частью SNO + является исследование потока солнечных
нейтрино. Эти измерения разделены на две части: pep-нейтрино, т.е. нейтрино,
полученные в процессе превращения водорода в гелий, и CNO-нейтрино, т.е.
являющиеся продуктом CNO-цикла.
Исследования потока pep -нейтрино важны для проблемы
нейтринных осцилляций. Вид «кривой выживания», т.е. зависимости вероятности
регистрации электронного нейтрино, не претерпевшего на пути от Солнца
осцилляций, от энергии частицы в целом известен. Вероятность выживания низка для
высоких энергий, но резко увеличивается при переходе к низким энергиям. Однако
недостаточно хороша исследована «переходная область» в промежутке энергий от 1
до 4 МэВ. Солнечные pep -нейтрино как раз отлично попадают в середину этой
области спектра – 1,4 МэВ. Также эта область энергий хороша для исследования
таких интересных явлений, как субдоминантные эффекты осцилляций, примешивание
стерильных нейтрино, нестандартные взаимодействия нейтрино с веществом.
Благодаря глубинному расположению SNOLAB SNO+ располагает
налучшими условиями в мире с точки зрения защиты от побочных эффектов со стороны
космических лучей. Наблюдение нейтрино будет осуществляться в реакциях упругого
рассеяния на электронах.
Главным результатом экспериментов с pep-нейтрино должна стать проверка нашего
понимания нейтринных осцилляций как подхода к новой физике.
Что касается нейтрино, произведённых в CNO-цикле, то эта
сторона активности Солнца исследована мало. Измерения должны дать информацию о
вкладе CNO в энерговыделение звезды, что позволит расширить наши знания о
внутреннем устройстве Солнца.
3.
Реакторные антинейтрино
На расстоянии 240 км от SNOLAB находится АЭС Брюса, в 300 километрах –
Пикеринг и Дарлингтон, где также находятся атомные электростанции. Реакторы
каждой из них производят антинейтрино с хорошо известными спектрами. Известен
также и поток реакторных антинейтрино. SNO+ с лёгкостью детектирует эти частицы
в реакции обращённого бета-распада:
p +
e
→ n + e+.
Позитрон обладает кинетической энергией 1,8 МэВ меньшей
энергии антинейтрино, и аннигилирует почти мгновенно. Связь энергии позитрона с
энергией реакторного антинейтрино позволяет восстановить спектр антинейтрино.
Т.к. нейтрино проходят большие расстояния в грунте, будут
наблюдаться вакуумные осцилляции, то есть переход нейтрино одного аромата в
другие. Сопоставление измеренного спектра антинейтрино с ожидаемым с учётом
осцилляторных эффектов позволит сравнить реальность с имеющимися предсказаниями
вероятности осцилляций. Кроме того, будут проверены и дополнены результаты
японского эксперимента KamLAND .
4. Геофизические нейтрино
Ещё одним важным источником антинейтрино являются
радиоактивные изотопы, содержащиеся в земной коре. Прежде всего это K-40, U-238,
Th -232. Данные о нейтрино этого происхождения чрезвычайно интересны с
геофизической точки зрения, поскольку позволят судить о количестве радиоактивных
изотопов в глубинах Земли. Радиоактивность даёт важнейший (50-100%) вклад в
вырабатываемое планетой тепловое излучение. Измерения, подобные тем, что будут
произведены на SNO+, призваны дать информацию о процессах остывания Земли на
протяжении геологической истории.
Подобные эксперименты уже проводились в KamLAND, Япония,
однако тогда помехой стала сравнительная слабость потоков геофизических нейтрино
и большое количество событий с реакторными нейтрино. Всё это не позволило
провести измерения с достаточной точностью.
SNO+ позволит существенно улучшить качество измерений.
5. Нейтрино от вспышек сверхновых
При взрыве сверхновых II типа более 99% гравитационной
энергии связи высвобождается в виде нейтрино. Частицы равномерно распределены по
трём ароматом, а количества частиц и античастиц примерно равны. Мощность вспышки
такова, что даже сверхновая, удалённая на галактические расстояния произведёт
множество событий в детекторе типа SNO+.
По данным, полученным от таких измерений, можно было бы
делать выводы по широчайшему спектру научных проблем: производить новые оценки
массы нейтрино, проверять различные модели нейтринных осцилляций и даже получать
размеры возможных свёрнутых измерений в нашей Вселенной. Так, к примеру и было с
данными по сверхновой 1987A , зафиксированной Kamiokande II, IMB и Баксанской
обсерваторией.
Так что новый взрыв сверхновой был бы настоящим подарком
для физиков.
В таблице приведены рассчитанные количества событий для различных реакций,
которые могут быть зарегистрированы SNO+ при взрыве сверхновой на расстоянии 10
кпс(1) с учетом
эффекта Михеева - Смирнова - Вольфенштейна (MSW)(2).
SNO+ - уникальный эксперимент с
широчайшими перспективами. Здесь содержатся потенциальные фундаментальные
открытия, такие как наблюдения безнейтринного двойного бета-распада,
уникальные возможности по регистрации низкоэнергетичных солнечных нейтрино и
новации (нанотехнологические техники рассеивания бета-активных изотопов по
объёму сцинтиллятора).
1. 1 кпс = 1 килопарсек = 3.08568025 × 1019 метра. 2. Эффект Михеева - Смирнова - Вольфенштейна - учет влияния
вещества на нейтринные осцилляции (см. например В.А. Рябов.
Нейтринные
осцилляции: на пути к экспериментам с дальними нейтрино. ЭЧАЯ. 2003. Т. 34.
ВЫП. 5.) 3. В предположении порога регистрации 0.2 МэВ.
M. Boulay, M. Chen, M. Di Marco, P. Doe, R. Forad, A. Hallin, etc - A
Letter Expressing Interest in Staging an Experiment at SNOLAB Involving
Filling SNO with Liquid Scintillator Plus Double Beta Decay Candidate
Isotopes
A. Hallin – Present and Future of SNO: SNO, SNO+ and SNOLAB
e.