— Для чего предназначен детектор геонейтрино?
— Долгое время мы не знали, по какой причине светит Солнце. Зарегистрировав поток нейтрино от Солнца, мы доказали: оно светит благодаря тому, что в его центральных областях происходит термоядерный самоуправляемый синтез. Детектор геонейтрино имеет дело с антинейтрино, которые рождаются в недрах Земли. Мы точно знаем, что они есть, на это указывают теория и некоторые экспериментальные данные, но мы не знаем, как локализованы их источники: в центре Земли, в каких-то отдельных областях, равномерно ли распределены они внутри Земли.
— Почему происходят ядерные реакции в недрах Земли?
— Наша планета содержит природные радиоактивные материалы — уран, торий, калий-40. Все они производят электронные антинейтрино в многочисленных процессах бета-распада их дочерних изотопов. Электронные нейтрино могут рождаться в реакции электронного захвата некоторыми ядрами, но их доля в общем потоке мала. И вся эта совокупность земных нейтрино называется геонейтрино.
— Чем все эти нейтрино отличаются друг от друга и почему в недрах Земли образуются антинейтрино?
— Геонейтрино отличаются друг от друга энергией, местом рождения, направлением прихода по отношению к точке наблюдения, плотностью потока. Объединяет их причина происхождения — реакции радиоактивного распада ядер, а именно бета-распада. В процессе бета-распада ядра рождается электрон, заряд ядра увеличивается на единицу, и оно «перемещается» на следующую позицию в периодической таблице элементов.
Но природа любит равновесие, и в мире элементарных частиц за него отвечает Закон сохранения лептонного числа. Если в каком-то процессе происходит рождение лептона (например, электрона), оно обязательно сопровождается рождением соответствующего ему партнера по слабому взаимодействию — электронного антинейтрино с противоположным знаком лептонного числа (+1 или −1) . При этом энергия, выделяющаяся при конкретном распаде, делится случайным образом между двумя родившимися частицами.
При электронном захвате (его еще называют процессом обратного бета-распада) соответственно рождается электронное нейтрино. Важно, что все лептоны рождаются и умирают в сопровождении их партнеров с противоположным знаком лептонного числа.
— Что представляет собой детектор геонейтрино, который вы разрабатываете?
— Работа над проектом детектора геонейтрино началась буквально 2–3 года назад. Он предназначен для измерения величины потока и энергетического спектра геонейтрино. В основе его лежит сцинтилляционный метод регистрации элементарных частиц.
Сцинтилляторы — это жидкие или твердые материалы, способные производить вспышки света (фотоны в видимом диапазоне) под воздействием ионизирующего излучения. Эти вспышки света регистрируются фоточувствительными детекторами , задача которых — преобразовать фотонный сигнал в электрический импульс и многократно усилить его для последующей обработки.
Чаще всего в качестве основы для жидких органических сцинтилляторов используются керосин и уайт-спирит. Их основной практический недостаток для применения в детекторах большого масштаба — высокая пожароопасность. В нашем детекторе будет применен жидкий органический сцинтиллятор на основе ЛАБ — линейного алкилбензола — смеси синтетических углеводородов, по сути сырья для производства стирального порошка.
ЛАБ обладает нужными свойствами для работы в качестве основы для сцинтиллятора. Это высокая прозрачность, способность растворять в нужных концентрациях необходимые добавки, относительная простота очистки от примесей, низкая собственная радиоактивность. Решающими факторами в выборе ЛАБ стали его относительно низкая токсичность и сравнительно высокая пожаробезопасность. В полномасштабном детекторе масса сцинтиллятора должна быть 10–15 тыс. тонн, также потребуется несколько десятков тысяч фотодетекторов, которые будут просматривать объем сцинтиллятора. Это будет грандиозная установка.
— Есть ли в других странах подобные установки?
— В мире подобных установок очень мало, как и желающих поделиться опытом. Другие детекторы большого масштаба — в Японии (Super-Kamiokande), Канаде (SNO) — используют регистрацию Черенковского излучения и не являются сцинтилляционными. В качестве детектирующей среды в японской установке используется сверхчистая вода, в канадском — «тяжелая», дейтериевая вода. Детекторы Borexino в Европе и KamLAND в Японии использовали сцинтиллятор на основе псевдокумола (сырье для лакокрасочной промышленности). ЛАБ тоже применяется в ряде установок, например SNO+, RENO, Daya Bay.
— Им удалось зарегистрировать геонейтрино?
— Было заявлено, что Borexino и KamLAND зарегистрировали события, которые могут быть вызваны геонейтрино. Но одно дело — зарегистрировать, другое — изучить совокупность параметров этих частиц, для чего одного детектора, даже большого масштаба, может оказаться недостаточно и понадобится целая мировая сеть подобных установок. Для этого разрабатываемый в ИЯИ РАН детектор и предназначен. На данный момент реализован его первый прототип, который свою задачу уже выполнил, и мы ведем дополнительные исследования свойств нашего сцинтиллятора.
— Что собой представлял прототип?
— Он весил всего полтонны и представлял собой прозрачный акриловый шар с ЛАБ, окруженный двумя десятками фотоумножителей. Вся конструкция помещалась в пластиковый резервуар цилиндрической формы, заполняемый высокочистой водой. Следующий этап — пятитонный детектор. Тут уже используется внешний резервуар из нержавеющей стали, внутри — пятикубовый шар из акрила, заполненный ЛАБ. Здесь уже будет установлено 54 ФЭУ плюс защита от мюонов. Вся установка находится сейчас в процессе подготовки и сборки. Мы нарабатываем опыт, до реального, полномасштабного детектора геонейтрино еще нужно немало времени, сил и средств.
— Зачем все это нужно, есть ли у поиска геонейтрино практические перспективы?
— Мы академическая организация и основной задачей ставим пополнение фундаментальных знаний о природе. Сначала необходимо понять суть явления, и только потом думать о практическом применении. Если мы все это поймем, основной практический выход из изучения нейтрино и антинейтрино — это управляемый термоядерный синтез, о котором человечество мечтает уже много лет.
Антинейтрино имеет отношение к ядерным реакторам. Это то, что сейчас стало самым перспективным направлением — бесконечный ядерный цикл, когда вы в минимальном количестве производите радиоактивные отходы, а то, что получается в процессе работы ядерного реактора, после некоторой подготовки снова может использоваться в качестве ядерного топлива.
Изучая свойства антинейтрино: зная их спектр, поток, направление, вы можете судить, в каком режиме работает та или иная ядерная установка. Какой это реактор? Исследовательский, оружейный, энергетический? Это можно делать по свойствам нейтронов, которые излучает реактор, но нейтроны сложно регистрировать. Да и кто вас подпустит близко к реактору. А нейтрино летят далеко и несут информацию о том, что происходит внутри ядерного реактора. Поэтому, изучая геонейтрино, мы можем также наблюдать за работой ядерных реакторов, внося посильный вклад в общую ядерную безопасность.
Больше новостей читайте в нашем телеграм-канале @expert_mag
