Рикошетом по Вселенной
ТЕХНОЛОГИИ / #4-5_2022
Записала Марина ПОЛЯКОВА / Фото: Flickr.com
На шестом энергоблоке Нововоронежской АЭС создадут установку по исследованию нейтрино. Инициаторами проекта стали Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) и Воронежский государственный университет. Подробнее о новом нейтринном детекторе, темной материи и важности фундаментальной науки рассказывает Евгений Якушев, начальник научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии ОИЯИ.
В физике давно стоит задача изучения нейтрино и их когерентного рассеивания на ядрах. Дело в том, что нейтрино, как и любая частица, проявляет двойственность: ведет себя то как частица, то как волна. Из квантовой механики следует: когда длина волны нейтрино сопоставима с объектом, на котором она рассеивается (например, с атомным ядром), происходит очень интересный процесс: нейтрино рассеивается сразу на всех нуклонах внутри ядра. Когерентное рассеивание возможно при низких энергиях и с тяжелыми атомными ядрами — например, изотопами германия.
При этих условиях значительно возрастает вероятность рассеивания нейтрино. А значит, можно использовать намного меньший детектор. Обычно нейтринные детекторы очень большие. Например, Baikal-GVD на озере Байкал — это километровый детектор массой 1 млрд тонн. Самые маленькие весят тонны. Построить детектор такой массы, окружить его многослойной защитой от окружающей радиоактивности и космического излучения — намного сложнее, чем создать и защитить маленький килограммовый детектор.
Нейтрино интересны тем, что несут информацию об объектах, которые другими способами изучать сложно. Детектируя нейтрино, мы сможем, например, наблюдать за работой реактора, видеть, какие изотопы находятся в нем, как выгорает топливо и т. д. Другой пример — изучение внутреннего строения Солнца. Процессы, происходящие внутри него, изучить напрямую можно только при помощи нейтрино — эти частицы долетают от Солнца до Земли всего за восемь минут. Фотону же для этого требуются сотни тысяч лет, большая часть из которых уходит на то, чтобы добраться из центра звезды к ее поверхности.
Или возьмем Землю. Как изучать то, что происходит в центре нашей планеты? Самая глубокая скважина — Кольская сверхглубокая в Советском Союзе — имела глубину всего 12 км. До недавнего времени получить информацию о глубинах Земли можно было либо при извержении вулканов, когда наружу выбрасывается содержимое недр Земли, либо радиометодами, к сожалению, недостаточно информативными. Детально исследовать нашу планету помогают опять же нейтрино.
Для решения всех этих задач нам необходимо иметь источники нейтрино. На Земле самые сильные их источники — это ядерные реакторы. Современный реактор электрической мощностью 1 ГВт испускает 6×1020 частиц в секунду. Поэтому место вблизи реактора идеально для изучения нейтрино. Кроме того, вокруг реактора много бетона — отличная защита от космического излучения.
При этих условиях значительно возрастает вероятность рассеивания нейтрино. А значит, можно использовать намного меньший детектор. Обычно нейтринные детекторы очень большие. Например, Baikal-GVD на озере Байкал — это километровый детектор массой 1 млрд тонн. Самые маленькие весят тонны. Построить детектор такой массы, окружить его многослойной защитой от окружающей радиоактивности и космического излучения — намного сложнее, чем создать и защитить маленький килограммовый детектор.
Нейтрино интересны тем, что несут информацию об объектах, которые другими способами изучать сложно. Детектируя нейтрино, мы сможем, например, наблюдать за работой реактора, видеть, какие изотопы находятся в нем, как выгорает топливо и т. д. Другой пример — изучение внутреннего строения Солнца. Процессы, происходящие внутри него, изучить напрямую можно только при помощи нейтрино — эти частицы долетают от Солнца до Земли всего за восемь минут. Фотону же для этого требуются сотни тысяч лет, большая часть из которых уходит на то, чтобы добраться из центра звезды к ее поверхности.
Или возьмем Землю. Как изучать то, что происходит в центре нашей планеты? Самая глубокая скважина — Кольская сверхглубокая в Советском Союзе — имела глубину всего 12 км. До недавнего времени получить информацию о глубинах Земли можно было либо при извержении вулканов, когда наружу выбрасывается содержимое недр Земли, либо радиометодами, к сожалению, недостаточно информативными. Детально исследовать нашу планету помогают опять же нейтрино.
Для решения всех этих задач нам необходимо иметь источники нейтрино. На Земле самые сильные их источники — это ядерные реакторы. Современный реактор электрической мощностью 1 ГВт испускает 6×1020 частиц в секунду. Поэтому место вблизи реактора идеально для изучения нейтрино. Кроме того, вокруг реактора много бетона — отличная защита от космического излучения.
Детектор «два в одном»
Детектор, который мы планируем установить на Нововоронежской АЭС, работает на принципах темной материи. В 2005 году ОИЯИ присоединился к международному проекту «Эдельвейс» — коллаборации, включающей научные институты Франции и Германии. Задачей проекта было изучение темной материи. На тот момент ОЯИЯ был чуть ли единственной российской научной организацией, занимавшейся ее детектированием — а это очень непростой процесс. Темная материя не участвует в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Возможный канал поиска этого вещества в лаборатории — через слабое взаимодействие, как и нейтрино.
Принцип работы детекторов темной материи, разработанных учеными проекта «Эдельвейс», основан на болометрической технике измерений: измеряются маленькие изменения температуры на очень низких уровнях. Чтобы детектировать темную материю, создается одно из самых холодных мест во Вселенной. При взаимодействии частиц темной материи с нормальной материей происходят небольшие передачи энергии, приводящие к изменению температуры кристалла детектора. Чтобы эти изменения отделить от естественных температурных флуктуаций и задетектировать именно интересующий нас акт рассеяния частицы, нужно максимально охладить систему. Для этого требуются детекторы со специальными криогенными установками. Они имеют два канала измерения. Первый — тепловой: частицы темной материи взаимодействуют с веществом детектора, его температура чуть-чуть изменяется, и мы это детектируем. Второй канал — ионизационный: частица темной материи ударяет по ядру германия, ядро замедляется на детекторе и ионизируется — мы детектируем заряды и определяем энергию частицы. Сравнение этих двух каналов — температурного и ионизационного — позволяет отсеять шумы и понять тип провзаимодействовавшей частицы. Исследования темной материи шли успешно; пять-семь лет назад в детекторе удалось достичь такого уровня чувствительности, при котором можно измерять совсем низкие энергии ядер отдачи в кристаллах германия — ниже 100 ЭВ.
Как только в эксперименте «Эдельвейс» удалось создать такие детекторы, сразу возникла идея использовать их для изучения нейтрино по его когерентному рассеянию. Конечно, задачи регистрации темной материи и нейтрино различаются: для частиц темной материи изучаемый диапазон довольно широк, до уровней десятков килоэлектронвольт ядер отдачи, а в случае когерентного рассеивания нейтрино нужно исследовать очень низкую область энергии, порядка 1 кэВ.
Детектор, который мы планируем установить на Нововоронежской АЭС, работает на принципах темной материи. В 2005 году ОИЯИ присоединился к международному проекту «Эдельвейс» — коллаборации, включающей научные институты Франции и Германии. Задачей проекта было изучение темной материи. На тот момент ОЯИЯ был чуть ли единственной российской научной организацией, занимавшейся ее детектированием — а это очень непростой процесс. Темная материя не участвует в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Возможный канал поиска этого вещества в лаборатории — через слабое взаимодействие, как и нейтрино.
Принцип работы детекторов темной материи, разработанных учеными проекта «Эдельвейс», основан на болометрической технике измерений: измеряются маленькие изменения температуры на очень низких уровнях. Чтобы детектировать темную материю, создается одно из самых холодных мест во Вселенной. При взаимодействии частиц темной материи с нормальной материей происходят небольшие передачи энергии, приводящие к изменению температуры кристалла детектора. Чтобы эти изменения отделить от естественных температурных флуктуаций и задетектировать именно интересующий нас акт рассеяния частицы, нужно максимально охладить систему. Для этого требуются детекторы со специальными криогенными установками. Они имеют два канала измерения. Первый — тепловой: частицы темной материи взаимодействуют с веществом детектора, его температура чуть-чуть изменяется, и мы это детектируем. Второй канал — ионизационный: частица темной материи ударяет по ядру германия, ядро замедляется на детекторе и ионизируется — мы детектируем заряды и определяем энергию частицы. Сравнение этих двух каналов — температурного и ионизационного — позволяет отсеять шумы и понять тип провзаимодействовавшей частицы. Исследования темной материи шли успешно; пять-семь лет назад в детекторе удалось достичь такого уровня чувствительности, при котором можно измерять совсем низкие энергии ядер отдачи в кристаллах германия — ниже 100 ЭВ.
Как только в эксперименте «Эдельвейс» удалось создать такие детекторы, сразу возникла идея использовать их для изучения нейтрино по его когерентному рассеянию. Конечно, задачи регистрации темной материи и нейтрино различаются: для частиц темной материи изучаемый диапазон довольно широк, до уровней десятков килоэлектронвольт ядер отдачи, а в случае когерентного рассеивания нейтрино нужно исследовать очень низкую область энергии, порядка 1 кэВ.
Рикошет
Новая установка для измерения нейтрино называется «Рикошет»: нейтрино рикошетит на ядре, и результат этого процесса фиксируется. Первый этап исследований пройдет на исследовательском реакторе во Франции, так как детекторы производятся французскими институтами. Кроме того, будут задействованы новые американские детекторы на основе сверхпроводников цинка. Для «Рикошета» ОИЯИ совместно с французской фирмой Cryoconcept создал криогенную систему. В нее будут интегрироваться детекторы. Кроме того, мы поставили во Францию систему защиты от космического излучения.
В результате в распоряжении участников проекта «Рикошет» оказались уже работающие в этой области энергий детекторы. Также мы располагаем экспериментальными данными, доказывающими возможность регистрировать события в области ниже 100 эВ и определять их энергию с высокой точностью. То есть сердце установки уже готово. Теперь нам нужно изготовить около 30 маленьких детекторов массой порядка 30 г каждый. Несколько детекторов необходимы для того, чтобы отделить сигналы нейтрино от фоновых сигналов других частиц.
Первый этап исследований и настройку детектора нужно проводить на исследовательском реакторе с короткими циклами работы: 50 дней он работает, 50 дней выключен. Для ученых важно иметь время для «передышки», когда нейтрино не летят, чтобы замерить фоновые сигналы и удостовериться, что регистрируемые частицы летят именно из работающего реактора. На энергетическом реакторе это сделать гораздо сложнее: хотя поток нейтрино там намного больше, останавливается такой реактор редко — только в периоды ремонта и перезагрузки топлива.
По окончании первого этапа исследований установку перевезут в Россию, на Нововоронежскую АЭС. Там детектор будет находиться немного дальше от реактора — не в 10, а 20 метрах. Кроме того, на новых реакторах Росатома ВВЭР поколения III+ намного меньше зона контролируемого доступа под реактором. Поэтому в случае размещения вне этой зоны получить разрешение на размещение установки будет проще. Плюс к этому, в Нововоронеже расположен учебный центр Росатома, благодаря чему иностранцам гораздо проще попасть на территорию этой станции, чем, например, Калининской. Для нас это важно, ведь «Рикошет» — международная коллаборация.
Конечно, идея исследовать нейтрино возле реактора не нова. На Калининской АЭС идет эксперимент DANSS. Детектор там расположен в 10 метрах от центра активной зоны реактора. Его работа основана на детектировании обратного бета-распада. Цели эксперимента — дистанционное наблюдение за работой реактора в режиме реального времени и поиск осцилляций в стерильное нейтрино. Для DANSS, в отличие от исследований когерентного рассеивания, не нужны криогенная установка и баллон под давлением, поэтому детектор можно установить в непосредственной близости от реактора.
Новая установка для измерения нейтрино называется «Рикошет»: нейтрино рикошетит на ядре, и результат этого процесса фиксируется. Первый этап исследований пройдет на исследовательском реакторе во Франции, так как детекторы производятся французскими институтами. Кроме того, будут задействованы новые американские детекторы на основе сверхпроводников цинка. Для «Рикошета» ОИЯИ совместно с французской фирмой Cryoconcept создал криогенную систему. В нее будут интегрироваться детекторы. Кроме того, мы поставили во Францию систему защиты от космического излучения.
В результате в распоряжении участников проекта «Рикошет» оказались уже работающие в этой области энергий детекторы. Также мы располагаем экспериментальными данными, доказывающими возможность регистрировать события в области ниже 100 эВ и определять их энергию с высокой точностью. То есть сердце установки уже готово. Теперь нам нужно изготовить около 30 маленьких детекторов массой порядка 30 г каждый. Несколько детекторов необходимы для того, чтобы отделить сигналы нейтрино от фоновых сигналов других частиц.
Первый этап исследований и настройку детектора нужно проводить на исследовательском реакторе с короткими циклами работы: 50 дней он работает, 50 дней выключен. Для ученых важно иметь время для «передышки», когда нейтрино не летят, чтобы замерить фоновые сигналы и удостовериться, что регистрируемые частицы летят именно из работающего реактора. На энергетическом реакторе это сделать гораздо сложнее: хотя поток нейтрино там намного больше, останавливается такой реактор редко — только в периоды ремонта и перезагрузки топлива.
По окончании первого этапа исследований установку перевезут в Россию, на Нововоронежскую АЭС. Там детектор будет находиться немного дальше от реактора — не в 10, а 20 метрах. Кроме того, на новых реакторах Росатома ВВЭР поколения III+ намного меньше зона контролируемого доступа под реактором. Поэтому в случае размещения вне этой зоны получить разрешение на размещение установки будет проще. Плюс к этому, в Нововоронеже расположен учебный центр Росатома, благодаря чему иностранцам гораздо проще попасть на территорию этой станции, чем, например, Калининской. Для нас это важно, ведь «Рикошет» — международная коллаборация.
Конечно, идея исследовать нейтрино возле реактора не нова. На Калининской АЭС идет эксперимент DANSS. Детектор там расположен в 10 метрах от центра активной зоны реактора. Его работа основана на детектировании обратного бета-распада. Цели эксперимента — дистанционное наблюдение за работой реактора в режиме реального времени и поиск осцилляций в стерильное нейтрино. Для DANSS, в отличие от исследований когерентного рассеивания, не нужны криогенная установка и баллон под давлением, поэтому детектор можно установить в непосредственной близости от реактора.
Плюс один
Нейтрино — частица, которую всегда было непросто исследовать, при этом она стала источником основополагающих открытий в физике. Сейчас мы находимся на том этапе развития фундаментальной науки, когда нам интересно не просто изучать характеристики нейтрино, но делать это с прецизионной точностью. Для этого одной установки уже недостаточно — нужны дополнительные независимые детекторы, которые будут исследовать нейтрино другими способами. Например, если основные исследования проводятся методом когерентного рассеивания, то вспомогательные могут детектировать обратный бета-распад протона. Это позволит контролировать работу основной установки и таким образом повышать точность измерений. Поэтому параллельно работам, которые ведутся французской стороной, мы в ОИЯИ создаем такой дополнительный сателлитный детектор. Надеемся завершить работу в этом году.
Нейтрино — частица, которую всегда было непросто исследовать, при этом она стала источником основополагающих открытий в физике. Сейчас мы находимся на том этапе развития фундаментальной науки, когда нам интересно не просто изучать характеристики нейтрино, но делать это с прецизионной точностью. Для этого одной установки уже недостаточно — нужны дополнительные независимые детекторы, которые будут исследовать нейтрино другими способами. Например, если основные исследования проводятся методом когерентного рассеивания, то вспомогательные могут детектировать обратный бета-распад протона. Это позволит контролировать работу основной установки и таким образом повышать точность измерений. Поэтому параллельно работам, которые ведутся французской стороной, мы в ОИЯИ создаем такой дополнительный сателлитный детектор. Надеемся завершить работу в этом году.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #4-5_2022