Проекты XXI века

Детектор "Борексино", созданный при международной кооперации ведущих мировых научных центров в подземной лаборатории, расположенной в горном массиве Гран Сассо (Италия), начал регистрацию нейтрино, излучаемых Солнцем. Впервые наблюдались солнечные нейтрино с энергией меньше 1 МэВ, которые рождаются в ядерных реакциях, происходящих в центральной области Солнца. Среднее количество регистрируемых нейтрино составляет десятки событий в день. Излучаемые нейтрино очень слабо поглощаются в веществе и являются единственным носителем информации о механизмах генерации энергии и структуре Солнца. Созданный высокочувствительный детектор предназначен для многоцелевых исследований в области физики нейтрино, астро- и геонейтринной физики.

В международном эксперименте "Борексино", реализуемом в подземной лаборатории Национального института ядерной физики Италии (INFN), расположенной в горном массиве Гран Сассо в центре Апеннин, получены первые результаты, которые расширяют фундаментальные знания о свойствах нейтрино, механизмах генерации энергии и структуре Солнца. Впервые в режиме реального времени наблюдались солнечные нейтрино с энергией менее 1 МэВ, рождаемые в ядерных реакциях в центре Солнца. До настоящего времени только нейтрино более высоких энергий (более 5 МэВ), излучаемые в других и более редких реакциях, детектировались в экспериментах, выполненных в Канаде и Японии. Подготовка и запуск столь крупномасштабного эксперимента - это выдающийся успех мировой физики. "Борексино" продолжит набор данных в течение 10 лет, на протяжении одного солнечного цикла.

Исследования свойств нейтрино и распространения нейтрино в веществе и вакууме, с одной стороны, открывают возможность изучать явления, актуальные для построения более фундаментальной теории субатомной материи, теории эволюции Вселенной. С другой стороны, нейтрино используются как инструмент для исследования внутреннего строения Солнца и проверки Стандартной солнечной модели, теоретически разработанной для объяснения механизмов генерации энергии Солнца.

Нейтрино, рожденные в центре Солнца, по пути к Земле проходят огромные слои солнечной материи и приблизительно через две секунды покидают его, практически не взаимодействуя c веществом и не изменяя энергии. Для сравнения: фотоны, излучаемые в центре Солнца, не имеют ни малейшего шанса вылететь из него, сохранив при этом свои первоначальные свойства. Таким образом, регистрация в подземной лаборатории Гран Сассо нейтрино, обладающих невероятной проникающей способностью, позволяет осуществить нечто подобное компьютерной томографии Солнца для изучения его свойств и строения.

Детектор "Борексино" обладает высокой чувствительностью к антинейтрино, излучаемым продуктами распада естественных радиоактивных изотопов, которые содержатся в недрах Земли. Естественная радиоактивность является одним из основных вкладов в достаточно мощный подогрев нашей планеты. Регистрация геонейтрино для изучения радиогенной составляющей теплового потока Земли затруднена на фоне потоков антинейтрино от реакторов атомных электростанций. Поэтому Гран Сассо является очень удачным местом, так как лаборатория расположена в центре Италии и достаточно далеко удалена от европейских атомных реакторов, которых в самой Италии нет.

Детектор "Борексино" будет включен в мировую сеть для регистрации нейтринного излучения, сопровождающего вспышки сверхновых.

Эксперимент "Борексино" - результат многолетних исследований, которые привели к созданию методик отбора сверхчистых материалов, а также технологий очистки жидкостей и газов от природных радиоактивных примесей до уровней, казавшихся ранее недостижимыми. Очевидно, разработанные новые технологии окажут огромное влияние на фармацевтическую индустрию, индустрию наноматериалов и технологию производства электронных компонент нового поколения.

Проект "Борексино" выполняется при участии более 100 высококлассных специалистов, включая физиков, инженеров, технологов. Финансирование проекта осуществлялось агентствами стран - участников эксперимента. Базовое финансирование было внесено Италией (INFN) при значительном вкладе США, Германии, Франции и России (Роснаука), а также ОИЯИ.

Проект разработан и реализован при многолетнем участии специалистов из отделений INFN (Италия) и университетов Милана, Генуи и Перуджи, а также Национальной лаборатории Гран Сассо; Мюнхенского технического университета и Института Макса Планка (Германия); Лаборатории астрочастиц и космологии Института IN2P3 (Франция), Ягеллонского университета (Краков, Польша); ОИЯИ и РНЦ "Курчатовский институт" (Россия); Принстонского университета и Политехнического института штата Вирджиния (США). В последние годы в реализацию проекта были вовлечены ПИЯФ и НИИЯФ МГУ (Россия).

Детектор представляет собой стальной цилиндр, соединенный сверху со сферой диаметром 16 метров. Внутренняя структура детектора состоит из нескольких слоев и напоминает русскую матрешку. Внешний слой заполнен 2400 тонн сверхчистой воды, защищающей детектор от естественной радиоактивности горных пород и материалов внешних конструкций. Этот же слой способен регистрировать редкие космические мюоны, не поглотившиеся в тысячеметровой толще скал, окружающих подземную лабораторию. Следующий слой - стальная сфера, заполненная 1000 тонн сверхчистого псевдокумола - углеводородного соединения, используемого для защиты центральной части детектора. На внутренней поверхности стальной сферы установлены 2200 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) - чувствительных приборов, способных улавливать очень слабые вспышки света, происходящие при взаимодействии нейтрино в детекторе. И, наконец, в центре детектора находится прозрачный нейлоновый шар радиусом 4,25 метра, содержащий 300 тонн сцинтиллирующей жидкости. Вода и углеводородные соединения, используемые в детекторе, очищены до рекордно низких уровней собственной радиоактивности.

Детектор работает следующим образом: нейтрино при "столкновении" с электроном сцинтиллирующей жидкости передает ему часть энергии, вызывая вспышку света, которая и регистрируется ФЭУ. При этом измеряется не только энергия, высвободившаяся в соударении, но и определяется точка внутри детектора, где нейтрино "столкнулось" с электроном. Последнее обстоятельство очень важно для выделения центральной части детектора с радиусом около трех метров, максимально защищенной от слабой остаточной радиоактивности внешних материалов.

Детектирование таких "неуловимых" частиц, как нейтрино, осложняется естественной радиоактивностью, всегда присутствующей в той или иной степени в любых материалах и имитирующей процессы нейтринного взаимодействия. Поэтому основные усилия исследователей в проекте "Борексино" были направлены на подбор радиационно чистых материалов для сооружения детектора и разработку новых технологий очистки жидкостей и газов от естественных радиоактивных примесей.

В результате исследований, продолжавшихся более восьми лет, удалось достичь фантастических результатов: в каждом грамме вещества, в котором взаимодействует нейтрино, содержится лишь 10-17 грамма посторонних примесей. Например, азот, использованный в эксперименте, обладает уровнем радиоактивности, в миллиард раз меньшим, чем природный азот (составляющий почти 80 процентов воздуха).

Для измерений и анализа сверхнизких уровней радиоактивности обычные, даже самые чувствительные приборы не годились. Поэтому коллаборацией был создан специальный сверхчувствительный детектор - Counting Test Facility (CTF). Он представляет собой детектор, содержащий 4 тонны сцинтиллирующей жидкости внутри прозрачной нейлоновой сферы радиусом 1 метр, окруженной 1000 тонн сверхчистой воды. Именно на детекторе CTF были отработаны все методики, позволившие достичь и измерить ультранизкие уровни содержания радиоактивных примесей.

Разработанные технологии могут быть адаптированы для нужд любой отрасли промышленности, где требуются особенно чистые вещества, таких как фармацевтическая индустрия, индустрия производства наноматериалов и электроных компонент нового поколения.

Фото- и видеоматериалы можно посмотреть на сайте http://www.infn.it/comunicazione

М. СКОРОХВАТОВ, доктор физико-математических наук, РНЦ "Курчатовский институт",
О. ЗАЙМИДОРОГА, доктор физико-математических наук, ОИЯИ.