Проекты XXI века
|
Ключ к новым тайнам нейтрино
Поиск безнейтринного двойного бета-распада в NEMO-3
Физика нейтрино переживает революционный этап своего развития, связанный с экспериментальным обнаружением нейтринных осцилляций. Гениальная идея, высказанная еще в далеком 1957 году Бруно Понтекорво (на тот момент сотрудником ОИЯИ), лишь спустя почти полвека была подтверждена в трех независимых экспериментах на нейтринных детекторах Супер-Камиоканде (SK, Япония), обсерватории Сэдбери (SNO, Канада) и КамЛэнд (KamLand, Япония). Значение этих открытий для фундаментальной науки трудно переоценить. Во-первых, существование нейтринных осцилляций означает ненулевую массу нейтрино, что затрагивает основы научной картины мира. Во-вторых, решена 30-летняя "загадка солнечных нейтрино". Именно нейтринные осцилляции являются причиной дефицита регистрируемых солнечных нейтрино по отношению к предсказаниям на основе стандартной солнечной модели. В-третьих, определилась ведущая теоретическая концепция нейтрино, согласно которой каждое из наблюдаемых в природе нейтрино (электронное, мюонное и тау) является трехкомпонентной смесью собственных нейтринных состояний. Ряд параметров этой теории (квадраты разницы масс и углы смешивания нейтринных состояний) и был измерен в указанных экспериментах.
Экспериментальные результаты, полученные при исследовании осцилляций, открыли новые перспективы нейтринной физики и указали новые научные задачи. В частности, определение еще не известных и уточнение уже измеренных параметров матрицы смешивания нейтринных состояний является задачей новых проектов измерения нейтринных осцилляций. Однако существует ряд проблем, на которые подобные эксперименты ответить не в состоянии. Во-первых, речь идет о природе нейтрино. Является ли эта частица майорановской (тождественной античастице) или дираковской? Во-вторых, какова абсолютная шкала масс нейтринных состояний? Осцилляции чувствительны только к относительной разнице масс нейтринных состояний. В-третьих, какова иерархия масс нейтринных состояний: нормальная, инверсная и вырожденная?
Ощутимый прогресс осцилляционных экспериментов породил новую волну интереса к поиску безнейтринного двойного распада (2βΟυ). Существование этого процесса возможно только в рамках новой физики за пределами Стандартной модели электрослабых взаимодействий. В частности, обнаружение 2 -распада означает, что нейтрино имеет майорановскую природу, а полученное точное значение ее массы однозначно определяет масштаб шкалы масс и иерархию нейтринных состояний. Более того, поиск этого явления является на сегодня единственной методикой, способной пролить свет на поставленные выше фундаментальные проблемы природы нейтрино.
Интерес научной общественности к данной проблематике подогрет появившимся в 2001 году заявлением о наблюдении 2βΟυ-распада в 76Ge с периодом полураспада (0,7-4,2) 1025, что соответствует эффективной массе майорановского электронного нейтрино 0,1-0,6 eV. Однако эта и последующие публикации отдельных членов международной коллаборации эксперимента Гейдельберг-Москва (HM) из-за ряда серьезных вопросов к методике работы вызвали критические замечания большинства специалистов в области двойного бета-распада. Безусловно, этот результат должен и может быть проверен в ближайшие год-два в других экспериментах. И вполне вероятно, что это будет NEMO-3.
Детектор NEMO-3 (см. рисунок) построен в подземной лаборатории Модана (LSM), обеспечивающей надежную защиту от космических лучей (толщина скальных пород вокруг лаборатории от 700м до 4800 метров водного эквивалента). Основной исследуемый источник - 7 кг обогащенного -изотопа 100Mo. NEMO-3 регистрирует треки и измеряет энергии обоих электронов бета-бета распада одновременно. Это позволяет анализировать практически все характеристики двойного бета-распада: суммарную энергию электронов, спектры одиночных электронов, угловые корреляции и т д. Эту уникальную информацию невозможно получить другими методиками измерения, в частности, в калориметрических германиевых экспериментах. Физический пуск детектора был осуществлен летом 2002 года, а с 14 февраля 2003 года детектор работает в штатном режиме измерений. Тесты и реальные измерения подтвердили, что детектор в целом соответствует требованиям, заявленным в первоначальном проекте.
 |
|
Основа NEMO - коллаборация российских (ОИЯИ-ИТЭФ) и французских (LAL - IreS - CENBG - LPC) институтов, хотя полная география участников гораздо шире: Чехия, Япония, США, Финляндия, Англия. На протяжении своего более 10-летнего участия в этом проекте ОИЯИ внес большой вклад в прототип NEMO-2 и решающий - в создание NEMO-3. Руководителем NEMO является С. Жуллиан (LAL), руководитель от ОИЯИ - В. Б. Бруданин.
Два-три раза в год в рамках NEMO проводятся внутренние совещания для координации работы членов коллаборации. И здесь ведущее место принадлежит Дубне, где подобные мероприятия проводятся чаще всего, уже более двадцати раз. Практически каждый год участники NEMO с удовольствием снова приезжают в Дубну, где их привлекают радушный прием, теплая атмосфера, хорошие условия для работы и активного отдыха в рамках насыщенной культурной программы. Поскольку детектор находится в режиме накопления статистики, бурные дискуссии вызывают сравнение результатов анализа данных, сделанных разными группами участников, обсуждение экспериментальных проблем. Не менее интересна и социальная программа. В частности, последним значимым событием стал футбольный матч Россия - Остальной мир ("Стад де LAL", Орсэ, Франция), закончившийся боевой ничьей 3:3. На это лето в рамках очередного совещания коллаборации NEMO в Дубне запланирован матч-реванш.
Говоря о научных результатах проекта, следует отметить, что в настоящее время только два проекта по поиску 2βΟυ-распада находятся в активной фазе измерений: кроме NEMO-3 это только CUORICINO (в настоящий момент в стадии реконструкции). После обработки годовой экспозиции 2003 года NEMO-3 имеет лучший (в 2-3 раза по отношению к прежним экспериментам) предел чувствительности на существование искомого распада в 100Mo (mυe~1 eV). И последующие 5 лет позволят постепенно, шаг за шагом, достичь первого ключевого уровня чувствительности mυe~0,1 eV. Это означает, что в течение ближайших лет NEMO-3 будет лидером в области физики двойного бета-распада.
Чувствительность эксперимента на уровне mυe~0,1 eV важна не потому, что позволит проверить "обнаружение" 2 -распада в 76Ge. Данный уровень является нижним пределом для моделей нейтрино, построенных на вырожденной иерархии. То есть, если до этого порога обнаружить такой распад не удастся, вырожденная иерархия будет исключена из теории нейтрино. Вот почему mυe~0,1 eV является на ближайшие пять лет целью всех экспериментов этого класса (NEMO-3, KATRIN, CUORICINO, XMASS).
Более далекой перспективой (10-15 лет) станет достижение второй ключевой области чувствительности mυe~0.02-0.05 eV, предсказываемой моделями нейтрино на основе инвертированной иерархии. Важно отметить, что в этом случае обнаружение и точное измерение массы электронного нейтрино позволит дать ответ еще на один фундаментальный вопрос о нарушении CP-четности в лептонном секторе. Чтобы достичь этого уровня чувствительности, разрабатывается целый ряд амбициозных по масштабам (сотни килограммов и тонны измеряемого ββ-источника) проектов (MAJORANA, EXO, MOON, GENIUS и т. д.). Коллаборация NEMO-3 также работает над новым проектом SUPERNEMO. В настоящий момент в фазе исследований и разработки находится измерительный модуль примерно со ста килограммами -источника и методикой "a la NEMO". Основные усилия направлены на выбор и производство источника, а также существенное улучшение (в 2-3 раза) энергетического разрешения калориметра. По сравнению с "конкурентами" коллаборация NEMO имеет преимущество в виде опыта успешной реализации трех поколений ββ-спектрометров, включая функционирующий в настоящее время детектор NEMO-3.
Мы живем в эпоху великих событий в области физики нейтрино и с оптимизмом смотрим в будущее, ожидая новых открытий в ближайшее десятилетие. И наши надежды связаны с поиском безнейтринного двойного бета-распада, открытие которого станет еще одним ключом к тайнам нейтрино.
Ю.А.Шитов
