Проекты XXI века

Нейтринная программа ОИЯИ: призрачная частица и большие эксперименты

Нейтрино – одна из самых загадочных частиц природы. Эти частицы практически не взаимодействуют с веществом: триллионы нейтрино, рожденных в сердце Солнца, пронзают ладонь читателя, пока он дочитывает это предложение, не оставляя никаких следов. Именно поэтому их иногда называют «частицами-призраками».

Baikal-GVD

NOvA

История нейтрино – это история удивительных открытий. Частица была теоретически предложена Вольфгангом Паули в 1930 году, однако экспериментально ее удалось зарегистрировать лишь четверть века спустя. В 1956 году Фредерик Райнес и Клайд Коуэн обнаружили электронное антинейтрино в эксперименте с атомным реактором. В 1962 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер на ускорителе частиц открыли мюонное нейтрино. Третий тип – тау-нейтрино – был обнаружен только в 2000 году в эксперименте DONUT.

Оказалось, что нейтрино определенного типа циклически превращаются друг в друга в процессе движения. Это явление называется нейтринными осцилляциями и является одним из ключевых открытий современной физики.

Особую роль в развитии нейтринной физики сыграл выдающийся физик Бруно Понтекорво – российско-итальянский ученый, который более сорока лет работал в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Именно он предложил многие фундаментальные идеи методов регистрации нейтрино и первым высказал гипотезу о нейтринных осцилляциях. Работы Понтекорво заложили основы нейтринной школы ОИЯИ, которая сегодня является одной из самых известных в мире.

Сегодня Нейтринная программа ОИЯИ – одна из крупнейших научных программ Института. В ней участвуют около 150 физиков и инженеров, включая молодых исследователей. Программа охватывает широкий спектр задач: от фундаментальных свойств нейтрино до астрофизики и прикладных технологий. Исследуются нейтрино самых разных энергий и происхождения – от реакторных и ускорительных до космических и астрофизических.

Нейтрино можно рассматривать не только как объект исследования, но и как уникальный инструмент для изучения Вселенной. Эти частицы способны нести информацию из глубин звезд, из недр Земли, атомных реакторов и даже из самых экстремальных астрофизических объектов.

Сегодня физики ОИЯИ участвуют в ряде крупнейших международных экспериментов.

Одним из флагманских проектов является гигантский нейтринный детектор JUNO (Подземная нейтринная обсерватория в Цзянмыне), построенный в Китае. Это один из самых чувствительных нейтринных экспериментов в мире. Детектор содержит около 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора и десятки тысяч фотодетекторов.

JUNO

Уже первые данные, полученные после запуска установки в 2025 году, дали рекордную точность измерения одного из параметров нейтринных осцилляций – разности квадратов масс нейтрино, определяющих осцилляции нейтрино в Солнце. Всего за два месяца работы эксперимент улучшил мировой результат по точности примерно в 1,6 раза. То, на что раньше требовались годы и даже десятилетия накопления статистики, JUNO, благодаря своим масштабам и технологиям, делает за считанные недели и месяцы.

Заметную роль в этом эксперименте играет команда ОИЯИ: специалисты Института участвуют в создании детекторов, анализе данных, создании и поддержке вычислительной инфраструктуры и научной интерпретации результатов.

Жемчужина Нейтринной программы ОИЯИ – глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD на озере Байкал – проект класса «мегасайенс» в нашей стране. Это крупнейший нейтринный детектор в Северном полушарии. Он представляет собой гигантскую трехмерную решетку светочувствительных модулей, расположенных на глубине более километра.

К 2026 году в телескопе установлено 14 кластеров и около 4300 оптических модулей, просматривающих объем воды порядка 0,7 кубического километра.

Этот уникальный инструмент предназначен для регистрации нейтрино сверхвысоких энергий, которые приходят из космоса. Такие частицы рождаются в самых мощных астрофизических объектах – активных галактических ядрах, взрывах сверхновых и других экстремальных источниках.

Анализ шести лет данных телескопа позволил установить ограничения на поток космических нейтрино и провести совместный анализ с международными экспериментами IceCube и KM3NeT. Кроме того, данные Baikal-GVD указывают на возможный вклад нашей галактики в рождение нейтрино сверхвысоких энергий.

Большое направление нейтринной программы связано с реакторными антинейтрино. Такие частицы образуются в огромном количестве в атомных реакторах. Их изучение позволяет не только исследовать фундаментальные свойства нейтрино, но и создавать новые методы контроля работы атомных установок.

В эксперименте DANSS, расположенном на Калининской атомной станции, физики из ОИЯИ разработали методы наблюдения реакторных антинейтрино и показали возможность мониторинга мощности реактора с точностью около одного процента. На той же атомной станции научной группой из ЛЯП выполняется эксперимент nuGeN, направленный на поиск когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах и редких процессов с помощью низкопорогового германиевого детектора в специальной защите. Помимо фундаментальных задач, проводимые исследования могут стать основой для создания компактных детекторов антинейтрино.

DANSS

Также по антинейтринному сигналу были проведены измерения изотопного ядерного топлива непосредственно во время работы реактора. Это важный результат как для фундаментальной физики, так и для прикладных задач атомной энергетики.

Физики ОИЯИ активно участвуют и в ускорительных экспериментах. Один из них – международный эксперимент NOvA в США, где изучаются нейтринные осцилляции на больших расстояниях. Совместный анализ данных экспериментов NOvA и T2K позволил уточнить параметры смешивания нейтрино и исследовать возможное нарушение CP-симметрии в лептонном секторе. Если такое нарушение будет окончательно подтверждено, это может помочь объяснить одну из главных загадок космологии – почему во Вселенной существует избыток вещества над антивеществом.

Другой фундаментальный вопрос связан с самой природой нейтрино: являются ли нейтрино и антинейтрино одной и той же частицей или это разные частицы. Поиск ответа на него ведется в экспериментах по поиску безнейтринного двойного бета-распада атомных ядер.

Ключевую роль в этих исследованиях играют ведущие международные эксперименты GERDA и LEGEND, нацеленные на изучение безнейтринного двойного бета-распада изотопа германия-76. Специалисты ОИЯИ внесли в эти работы существенный вклад и продолжают активно участвовать в их развитии.

Нейтринная программа ОИЯИ включает также исследования редких процессов, поиск безнейтринного двойного бета-распада, разработку новых типов детекторов и радио-химические методы анализа. В этих исследованиях участвуют десятки молодых ученых и инженеров.

Особенно важно, что нейтринная физика остается одной из самых быстро развивающихся областей современной науки. В ближайшие годы ожидаются новые крупные эксперименты, которые смогут определить иерархию масс нейтрино, исследовать нейтрино от вспышек сверхновых и, возможно, открыть новые частицы и взаимодействия.

За семь десятилетий своего существования Объединенный институт ядерных исследований стал одним из мировых центров нейтринной физики. И сегодня, поддерживая традиции, заложенные Бруно Понтекорво, дубненские ученые продолжают исследовать одну из самых загадочных частиц природы – нейтрино.

Дмитрий НАУМОВ, руководитель Нейтринной программы ОИЯИ,
заместитель директора ЛЯП.
Художник – Анастасия ЗЛОБИНА