На днях ряд европейских исследовательских организаций принял согласованное решение отменить эксперимент SOX по регистрации нейтрино на короткой базе (Short distance neutrino Oscillations with boreXino) [1]. Эксперимент планировалось провести в Италии в подземной лаборатории Гран-Сассо (в туннеле под горным хребтом неподалеку от Рима).
Основой эксперимента должен был послужить давно действующий нейтринный детектор Borexino, разработанный в первую очередь для регистрации солнечных нейтрино. Второй составляющей эксперимента по замыслу должен был стать интенсивный источник нейтрино, в первом варианте — радиоактивный церий-144, распадающийся с испусканием антинейтрино. Источник предполагалось расположить всего в восьми метрах от детектора — в особой полости под ним, предусмотренной специально для этой цели. Собственно, этот источник и был главной и наиболее дорогой составляющей нового эксперимента (детектор работал с 2007 году).
Смысл эксперимента SOX
С сайта www.staff.uni-mainz.de
Большинство экспериментов, так или иначе, остается в рамках известной физики и служит ее уточнению. Данный эксперимент был посвящен поиску новой фундаментальной сущности — стерильного нейтрино (sterile neutrino).
Напомню, что согласно Стандартной модели существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау). Они смешиваются между собой, то есть в пространстве летают не отдельные типы нейтрино, а их комбинации. Но взаимодействуют с веществом не комбинации, а определенные типы нейтрино. Такой вот парадокс квантовой механики, который приводит к осцилляциям частиц: родился один тип нейтрино, а в полете перешел в другой или в третий — родилось электронное нейтрино, а провзаимодействовало как мюонное или тау-нейтрино. Поэтому, когда стали регистрировать солнечные нейтрино, обнаружилась серьезная недостача: поток нейтрино оказался намного меньше того, что предсказывалось исходя из светимости Солнца.
С тех пор поставлено много экспериментов по осцилляциям нейтрино, измерены их параметры (разности квадратов масс и углы смешивания). Эксперименты достаточно разнообразны, и регистрируются нейтрино разного происхождения: реакторные, ускорительные, солнечные и атмосферные.
В принципе, эффект нейтринных осцилляций можно было бы назвать неплохо изученным, но при повышении точности стали проявляться так называемые нейтринные аномалии. Они были замечены в нескольких экспериментах, в частности, в Лос-Аламосской национальной лаборатории и в Фермилабе (США) — нейтрино, полученные на ускорителе; в галлиевых экспериментах — итальянском GALLEX и российско-американском SAGE на Баксане — нейтрино от радиоактивного источника хром-51, а также в эксперименте на реакторных нейтрино. Все перечисленные отклонения не очень убедительны в плане статистики (до трех сигм), но все они могли бы быть объяснены дополнительным нейтрино, участвующим в осцилляциях трех известных типов.
Существование нового гипотетического типа нейтрино обсуждается давно. Этот дополнительный тип не должен взаимодействовать с веществом, как это делают три типа активных нейтрино, иначе его бы увидели. Поэтому его называют «стерильным». Эксперимент SOX по замыслу должен был расставить точки над i — либо подтвердить, либо опровергнуть вышеперечисленные нейтринные аномалии, для этого у него по замыслу должно было бы хватить чувствительности, и, что важно, была возможность расположить источник нейтрино очень близко к детектору и даже внутри него. Последнее важно потому, что позволило бы напрямую увидеть осцилляции с новым типом нейтрино, которые, скорее всего, происходят на короткой дистанции. Если бы эксперимент подтвердил существование нейтринных аномалий, он бы фактически открыл стерильное нейтрино, выходящее за рамки Стандартной модели частиц. Это то, что называется «новой физикой».
Экспериментальная установка
Детектор Borexino — большой бак с очень чистым сцинтиллятором. Название связано с солнечным борным циклом, испускающим наиболее энергичные нейтрино. Оно устарело, так как связано с первой версией детектора, тогда как нынешняя регистрирует не только борные нейтрино, но и нейтрино от остальных термоядерных циклов, причем в спектре видны вклады разных циклов по отдельности. Рабочий объем — 315 м3. Сцинтиллятор просматривается фотоумножителями, расположенными на стенках. Порог чувствительности по энергии нейтрино около 200 кэВ. Эксперимент впервые зарегистрировал геофизические нейтрино от распада урана и тория в толще Земли.
Вторая часть эксперимента — источник. Выбранный источник, Ce-144, не единственный возможный вариант (хотя наиболее удобный), но ставка была сделана именно на него. Радиоактивный изотоп должен был быть упакован в компактный толстостенный контейнер из стали и вольфрама, полностью поглощающий гамма-излучение.
Где взять церий-144?
Церий-144 можно было получить только из отработанного топлива атомных электростанций. Но налаженной процедуры его извлечения не существует. Видимо, поэтому не нашлось желающих взяться за эту задачу, когда французский Комиссариат по атомной энергии объявил тендер на производство церия-144 в количестве, необходимом для эксперимента. Откликнулся лишь один подрядчик — «Маяк». Насколько нам известно, руководство «Маяка» согласилось далеко не сразу. Наши физики (а в команду SOX входят группы из Дубны, Курчатовского института, МГУ и ИТЭФ) уговорили представителей «Маяка» взяться за эту новаторскую и рискованную задачу. В конце концов, это благородное решение вышло «Маяку» боком. Заказ выполнить не удалось из-за технических проблем, предприятие было вовлечено в скандал с выбросом рутения, возникло подозрение, что выброс связан именно с подрядом по церию. Очень не хотелось бы, чтобы это стало последней попыткой «Маяка» и других предприятий по переработке отработавшего ядерного топлива выполнить заказ физиков, связанный с радиоактивными источниками.
В ходе подготовки к эксперименту возникла еще одна проблема. Местные органы власти запретили ввоз источника на территорию провинции Абруццо, где находится лаборатория. Это решение было принято под давлением зеленых. Никакие разъяснения, что толстостенный контейнер из стали и вольфрама невскрываем и практически неразрушим, не помогали. На Change.org была запущена петиция в адрес президента провинции Абруццо с просьбой отменить запрет, ее подписали 45 тыс. человек, включая многих наших граждан, включая автора данной статьи [2]. Но необходимость во ввозе контейнера, увы, отпала. Навсегда?
Перспективы и проблемы
Когда-нибудь эксперимент с нейтрино на короткой базе все-таки будет проведен. Есть несколько других вариантов как по месту проведения, так и по типу источника нейтрино. В частности, планируется провести такой эксперимент у нас на Баксане с давно действующим галлий-германиевым детектором.
Планируется еще один эксперимент в той же подземной лаборатории в Гран-Сассо, но с другим детектором. Рано или поздно точка над i будет поставлена, но по дороге придется преодолевать не только технические, но и гуманитарные проблемы. Радиофобия возникла не на пустом месте — на нашей памяти были и крупные аварии, и жертвы, связанные с радиацией, хотя количество этих жертв пренебрежимо мало с потерями, например, от автомобильных аварий или химических загрязнений. Проблема в том, что радиофобия иррациональна и потому плохо поддается лечению. Тут один рецепт — просвещать, быть открытыми перед обществом и ни в коем случае ему не врать.
Борис Штерн,
вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН, главред ТрВ–Наука
1. www.lngs.infn.it/en/news/sox-project-is-cancelled-february-1-2018