Дмитрий Акимов, участник международной коллаборации COHERENT: «Мы увидели процесс, предсказанный 43 года назад»

21 декабря 2017

Уже в четверг, 21 декабря, журнал Science объявит победителя народного голосования «Научный прорыв года». В число финалистов голосования вошел детектор нейтрино объемом с трехлитровую банку, разработанный и построенный группой COHERENT. Напомним, что обычно нейтрино ловят с помощью огромных установок — например, детекторIceCube представляет собой 86 гирлянд с фотодатчиками, расположенных внутри кубического километра льда. Особенностью нового детектора является не только размер, но и принцип работы — с его помощью ученые впервые зарегистрировали процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах (CEνNS, читается как «севенс»). Мы решили побеседовать с участником группы COHERENT, начальником лаборатории Института теоретической и экспериментальной физики, сотрудником Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, кандидатом физико-математических наук Дмитрием Юрьевичем Акимовым.

N + 1: Для начала давайте разберемся, на чем основана работа нового детектора. Что такое упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомных ядрах, когда его открыли?

Дмитрий Акимов: Теоретически этот процесс был предсказан Дэвидом Фридманом в 1973 году, примерно через год после того, как в ЦЕРНе открыли нейтральные токи для нейтринного взаимодействия. Нейтральный ток возникает, когда нейтрино обменивается с кварком нейтральным Z-бозоном. В результате частицы взаимодействуют друг с другом (например, отталкиваются), причем в ходе взаимодействия их свойства не меняются. Отдаленно это похоже на отталкивание двух электронов, в котором переносчиком взаимодействия является виртуальный фотон, а не Z-бозон.

Фридман заметил, что в некоторых случаях нейтрино должно взаимодействовать не с отдельными кварками или нуклонами, а сразу со всем ядром. Связано это с соотношением неопределенностей Гейзенберга: чем меньше импульс, переданный от нейтрино ядру, тем больше неопределенность координаты места, в котором произошло взаимодействие. При некоторых значениях импульса эта неопределенность становится сравнима с размером ядра, и модель отдельных нуклонов не работает. Поэтому взаимодействие происходит со всеми нуклонами сразу, то есть когерентно. При этом энергия нейтрино сохраняется — взаимодействие упругое.

Разумеется, чем больше энергия нейтрино, тем больший импульс оно может передать ядру в результате взаимодействия. Поэтому условие когерентности выполняется только для сравнительно низких энергий — для тяжелых ядер с атомным номером больше ста эта энергия не превышает пятидесяти мегаэлектронвольт. Конечно, в действительности все немного сложнее и импульс отдачи может быть мал даже в случае более высокой энергии нейтрино — если угол его рассеяния будет близок к нулю, то есть, грубо говоря, если нейтрино заденет ядро по касательной, а не врежется в самый его центр. Однако чем больше энергия, тем меньше диапазон допустимых углов и тем ниже вероятность когерентного рассеяния. Поэтому при энергиях больше пятидесяти мегаэлектронвольт процесс все-таки почти не идет. Зато при меньших энергиях упругое когерентное рассеяние есть, причем его сечение пропорционально квадрату числа нейтронов ядра.

Почему только нейтронов, а не всех нуклонов вообще?

Если мы посмотрим на формулу, которая описывает сечение процесса, то мы увидим, что в ней есть отдельные части, которые связаны с так называемым слабым зарядом. Для протонов и нейтронов эти части отличаются. Так, сечение взаимодействия с протонами оказывается пропорционально числу 1 − 4sin2(θw), где θw — это угол смешивания Вайнберга (один из параметров Стандартной модели). Квадрат синуса этого угла примерно равен 0,24, то есть итоговый множитель почти в точности равен нулю. Из-за этого остается только нейтронная компонента, которая уже пропорциональна квадрату числа частиц, то есть нейтронов.

В принципе, протонов и нейтронов в ядрах содержится примерно поровну, хотя в тяжелых элементах все-таки есть небольшой перевес в пользу последних. Поэтому для простоты можно сказать, что сечение когерентного рассеяния пропорционально квадрату атомного номера элемента.

Для тяжелых ядер сечение упругого когерентного рассеяния оказывается намного больше, чем сечение двух других известных процессов, с помощью которых нейтрино взаимодействует с веществом. Например, для атомов иода-127 сечение упругого когерентного рассеяния нейтрино с энергией несколько десятков мегаэлектронвольт более чем в сто раз превышает сечение обратного бета-распада и более чем в тысячу — сечение взаимодействия нейтрино с электроном.

Как еще нейтрино взаимодействуют с веществом
Традиционно для детектирования антинейтрино ученые используют обратный (инверсный) бета-распад. В ходе этого процесса протон и электронное антинейтрино превращаются в нейтрон и позитрон. Из-за этого вещество детектора нагревается и ионизируется, и по этим изменениям можно понять, что распад произошел, а также установить примерное место и время взаимодействия. Обратный бета-распад является обращением обычного бета-распада, в ходе которого нейтрон превращается в протон, электрон и электронное нейтрино. Собственно, с помощью этого процесса американские физики Фредерик Райнес и Клайд Коуэн открыли антинейтрино в 1956 году. 

Вообще говоря, исторически нейтрино были получены в прямом бета-распаде. Если посчитать, какой должна быть энергия излучаемого в этом процессе электрона, окажется, что без учета нейтрино она не сходится с экспериментом. Поэтому Вольфганг Паули предположил, что недостающая энергия уносится некоторой гипотетической частицей, которая очень слабо взаимодействует с веществом. Интересно, что изначально Паули назвал эту частицу «нейтроном», поскольку на тот момент (конец 1930 года) известный нам нейтрон не был еще открыт. А название «нейтрино» предложил немного позже (в 1933 году) Энрико Ферми. 

Кроме того, нейтрино могут рассеиваться на электронах и кварках, обмениваясь с ними нейтральным Z-бозоном (соответствующая диаграмма Фейнмана приведена в начале статьи). Впрочем, вероятность этого процесса гораздо меньше, чем вероятность обратного бета-распада (примерно на порядок).

 Тем не менее, между теоретическим предсказанием и открытием процесса прошло больше сорока лет. Почему поставить эксперимент было так сложно?

Проблема в том, что упругое когерентное рассеяние происходит только при малых импульсах отдачи ядер, а чем меньше переданный импульс, тем сложнее зарегистрировать такое событие. В результате одного акта рассеяния нейтрино в веществе детектора выделяется энергия порядка десяти килоэлектронвольт, это очень мало. Скажем, литр воды при сообщении такой энергии нагреется всего на 4×10−19 градусов.

Вообще говоря, диапазон килоэлектронвольтных энергий вполне доступен для современных детекторов элементарных частиц. Но сложность здесь в том, чтобы создать детектор, обладающий значительной массой — чем больше, тем лучше, но не менее нескольких килограммов. Одновременно необходимо сделать его низкофоновым, то есть по-возможности уменьшить вероятность всех других взаимодействий в нем, кроме полезных.

Первая идея детектора, способного зарегистрировать «нужные» события с такими энергиями, появилась примерно через десять лет после статьи Фридмана. Тогда экспериментаторы предложили использовать материал, состоящий из большого числа микроскопических независимых сверхпроводящих гранул, помещенных во внешнее магнитное поле. Чем хорош сверхпроводник? Его теплоемкость при низких температурах быстро стремится к нулю, и поэтому он сильно нагревается даже при небольшом притоке энергии. А еще, как мы знаем, из сверхпроводника выталкивается магнитное поле. Когда ядро приобретает небольшой импульс из-за упругого когерентного рассеяния нейтрино, вся гранула нагревается и переходит из сверхпроводящего состояния в обычное. В результате напряженность магнитного поля изменяется, и величину этого изменения уже можно как-то измерить.

К сожалению, довести эту идею до реального эксперимента оказалось очень сложно. К тому же такой детектор обладает рядом недостатков, например, он не позволяет точно сказать, в каком месте произошло взаимодействие нейтрино с веществом. Из-за этого нельзя исключить события, в которых мы регистрируем не одно, а сразу несколько нейтрино, нельзя отличить их от взаимодействий, характерных для фонового «загрязнения» нейтронами и гамма-квантами. Кроме того, нельзя выделить внутреннюю область детектора, защищенную от внешнего радиоактивного фона самим же веществом детектора (в иностранной литературе ее обычно называют fiducial volume).

Но ведь ученые как-то справились с этой проблемой.

Да, хотя идея оказалась не очень плодотворной, она стимулировала развитие других технологий, направленных в первую очередь на поиск гипотетических частиц темной материи (вимпов), а заодно и упругого когерентного рассеяния нейтрино. Вообще говоря, эти два типа частиц очень похожи по способу детектирования — в обоих случаях взаимодействие идет с атомным ядром. Как правило, группы, которые ищут темную материю, включают в свои программы поиск когерентного рассеяния нейтрино. Например, коллаборация ZEPLIN, в которой наша группа (из ИТЭФа) участвовала десять лет назад, в основном занималась поиском вимпов, однако она параллельно рассматривала возможность поиска когерентного упругого рассеяния нейтрино.

Так, значительно усовершенствовались детекторы темной материи, основанные на жидких благородных газах — ксеноне, аргоне. Это проекты XENON (XENON100 и XENON1T), PandaX, DarkSide50 и другие. В основе конструкции этих детекторов лежат огромные баки, заполненные холодным сконденсированным до жидкого состояния газом. Жидкий газ находится в однородном электрическом поле, которое создается специальными электродами, и просматривается фотоумножителями — сверхчувствительными приборами, способными видеть даже единичные фотоны. Когда какая-либо частица, в том числе гипотетическая частица темной материи, взаимодействует с атомами благородного газа, возникает световая вспышка, которая регистрируется фотоумножителем. Кроме того, частица ионизирует среду, возникают электроны. Затем электроны вытягиваются электрическим полем из жидкой фазы в газовую и дают электролюминесцентную вспышку, которую фотоумножители тоже видят.

Этот метод регистрации частиц, называемый эмиссионным двухфазным методом, оказался очень мощным инструментом в экспериментах по поиску темной материи, поскольку позволил очень эффективно бороться с внешним гамма-фоном. Кстати, этот метод впервые предложили в 70-е годы ученые из МИФИ. Правда, темную материю в виде вимпов до сих пор не открыли, вместо этого экспериментаторы определяют ограничение на максимальное сечение взаимодействия этих гипотетических частиц с обычной материей. С появлением эмиссионных детекторов на жидком ксеноне пределы резко пошли вниз. Сейчас они составляют, по-моему, около 10−46квадратных сантиметров.

На самом деле, в основном мы занимались и занимаемся разработкой именно эмиссионных детекторов на жидких благородных газах. Например, мы построили детектор RED100 — расшифровывается как Russian Emission Detector, российский детектор излучения, сто килограмм ксенона в fiducial volume (мы обсуждали, что это такое, когда говорили о детекторах на сверхпроводящих гранулах). Сейчас он находится в МИФИ и уже практически готов к работе. Конечно, мы столкнулись с несколькими проблемами, пока разрабатывали детектор, — например, очень сложно было почистить ксенон, который используется в нем в качестве рабочей среды. Но мы с этой задачей справились, и сейчас Россия является одной из немногих стран, в которых умеют получать пригодный для подобных экспериментов ксенон.

Необходимо сказать еще пару слов об истории создания детектора RED100, поскольку он связан с экспериментом COHERENT. Вообще говоря, этот эксперимент предполагает создание нескольких детекторов, которые более подробно изучат упругое когерентное рассеяние нейтрино. Например, проверят, что сечение процесса действительно пропорционально квадрату числа нейтронов. Изначально детектор RED100 тоже строился в рамках этой программы, и мы рассматривали два места проведения эксперимента с этим детектором — на ускорителе SNS в Ок-Ридже и на Калининской атомной электростанции в городе Удомля. Но так уж сложилось, что RED100 в Ок-Ридж не поехал, и теперь мы планируем проводить эксперимент на Калининской АЭС.

Однако детектор, на котором вы получили опубликованный вScience результат, основан не на жидком ксеноне.

Нет, но он использует тот же принцип — регистрирует ядра отдачи от рассеяния нейтрино. В основе этого детектора лежит сцинтиллятор — кристалл CsI весом около 14,5 килограмма и объемом примерно 3,2 литра. Каждый раз, когда на ядрах цезия или йода происходит упругое когерентное рассеяние нейтрино, ядра ускоряются, ионизирует вещество сцинтиллятора и в нем образуются фотоны — сцинтилляционная вспышка. Чем чаще нейтрино рассеиваются на ядрах, тем чаще происходят вспышки. Поэтому на таком детекторе можно измерить сечение процесса и сравнить его с величиной, предсказанной Стандартной моделью. В процессе эксперимента выяснилось, что они совпадают в пределах ошибок измерений и неопределенности теоретической оценки.

На самом деле, сцинтилляционные детекторы уже давно существуют, здесь ничего нового нет. Дело тут не столько в том, что мы собрали какой-то сложный детектор, сколько в том, что мы догадались поставить его в нужном месте и в нужное время. Хотя детектор CsI тоже по-своему уникальный — в нем практически полностью отсутствуют радиоактивные примеси и к тому же он довольно большой. Тут же очень важна интенсивность потока частиц — хотя сечение когерентного рассеяния и превышает сечения всех остальных процессов, оно все-таки ничтожно мало. Поэтому поток нейтрино должен быть большим. Сложно найти место, в котором величина потока будет достаточной для уверенной регистрации. Источник нейтронов SNS в Ок-Ридже, рядом с котором мы поставили эксперимент, обеспечивает такую интенсивность, но он начал работать относительно недавно (в 2006 году).

Что представляет собой этот ускоритель?

SNS разгоняет протоны до энергии около одного гигаэлектронвольта, а потом рассеивает их на мишени. Казалось бы, это не очень много, на LHC получают частицы с гораздо большими энергиями. Однако дело здесь не столько в энергии, сколько в мощности, которая выделяется на мишени, — она-то достигает одного мегаватта, и это уже показатель внушительный. Чтобы спасти установку от перегрева из-за такого большого тепловыделения, через нее с бешеной скоростью прогоняют ртуть. Каждую секунду через мишень проходит около трехсот килограммов металла, который затем охлаждается и возвращается в цикл.

Эта же ртуть служит основным материалом мишени. Когда протон врезается в ядро ртути, оно разваливается и осколки испаряют нейтроны. Собственно, в основном ускоритель SNS используется именно для получения нейтронов, даже название его расшифровывается как Spallation Neutron Source, источник рассеянных нейтронов. Но нам эти нейтроны как раз-таки не нужны. Нас интересует побочный процесс, в котором рождаются π±-мезоны. В конечном счете π−-мезон захватывается ядром, а π+-мезон распадается на антимюон и мюонное нейтрино. Спустя еще немного времени мюон также распадается, на этот раз на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. Из-за высокой частоты столкновений такие процессы идут часто, нейтрино образуется много, и мы их регистрируем детектором.

Фотография SNS, точнее, его надземной части

А разве нейтроны не мешают детектированию? Они должны рождаться на SNS гораздо чаще.

Мешают, конечно. Поэтому мы провели большую работу, чтобы найти место, в которое можно поставить детектор, где нейтроны не забивали бы сигнал от нейтрино. Вообще, изначально предлагалось вырыть для детектора колодец вне здания. Тогда бы установку защищало от нейтронной компоненты космических лучей около десяти метров грунта, к тому же сверху ее можно было бы дополнительно накрыть бетонными плитами. В этом случае детектор располагался бы далеко от источника (почти в сорока метрах). Однако постройка такого колодца — очень сложный и дорогой инженерный проект, недостаточно вырыть яму, ее еще нужно как следует оборудовать.

А потом нам повезло. Удалось найти место в подвале, в котором нейтронный фон был удивительно маленьким. От нейтронов, летящих от мишени, там защищает большой слой бетона и грунта — около двадцати метров. Через этот слой пробиваются только нейтроны с самыми большими энергиями. Конечно, они тоже мешают. Но при анализе данных они были учтены.

Для этого мы в течение нескольких месяцев измеряли в подвале фон таких высокоэнергетических нейтронов. Оказалось, что он хорошо согласуется с данными, собранными двумя другими установками. Потом по этим данным мы оценили вклад нейтронов в результаты измерений детектора и, грубо говоря, вычли его из данных, собранных во время поиска когерентного рассеяния нейтрино.

Откуда берутся нейтрино
Вообще говоря, нейтрино могут рождаться не только на искусственно построенных объектах, таких как ускорители или атомные реакторы, но и в природе. Самым низкоэнергетическим процессом является уже обсуждавшийся бета-распад, в ходе которого заряд ядра изменяется на единицу, при этом оно излучает электрон (или позитрон) и антинейтрино (нейтрино соответственно). Также нейтрино рождаются при взаимодействии космических лучей с атомами атмосферы. В этом случае все очень похоже на ускоритель: сначала образуются пионы, мюоны или другие частицы, которые затем распадаются с излучением нейтрино. 

Кроме того, нейтрино приходят к нам из космоса «в чистом виде». Например, они образуются в термоядерных реакциях на Солнце или во вспышках сверхновых. Именно солнечные нейтрино составляют основную часть «прошивающих» нас нейтрино — их поток равен примерно 1011 частиц на один квадратный сантиметр. Также существуют теории, по которым нейтрино должны были рождаться во время Большого взрыва. Сейчас они должны находиться в огромном количестве в «реликтовом состоянии», то есть в состоянии с очень маленькими энергиями.

  И что в итоге измерил детектор CsI на SNS?

Для начала мы измерили энергетический спектр событий, приписываемых когерентному рассеянию нейтрино, то есть зависимость числа отсчетов от интенсивности световой вспышки, выраженной в числе электронов фотоумножителя. Этот спектр можно рассчитать теоретически, если знать, как много нейтрино рождается при облучении мишени протонами, и учесть, что сечение рассеяния нейтрино на ядрах сцинтиллятора зависит от энергии. Оказалось, что результаты эксперимента хорошо согласуются с теоретическими предсказаниями.

Кроме того, мы посмотрели, как зависит число вспышек от времени, прошедшего после сброса протонного пучка. Помните, мы говорили о том, что на SNS рождаются нейтрино разных типов? Так вот, первыми до детектора добираются мюонные нейтрино, которые появляются из-за распада π+-мезонов. Это выражается в резком росте числа сцинтилляционных вспышек. Правда, одновременно с ними приходят быстрые нейтроны, и их вклад тоже нужно учитывать. Затем постепенно начинают распадаться мюоны (которые живут около двух микросекунд), и мы регистрируем электронные нейтрино и мюонные антинейтрино, они образуют медленно затухающий «хвост» графика. В этом случае экспериментальные точки тоже неплохо ложатся на рассчитанную теоретически кривую.

Зависимость числа отсчетов от энергии фотоэлектронов (сверху) и от времени, прошедшего после сброса пучка. Различными цветами отмечены теоретические оценки для вклада нейтрино различных типов, а также для быстрых нейтронов

 Таким образом, мы показали, что когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядрах тяжелых атомов действительно происходит, причем эксперимент хорошо согласуется с теорией. Наконец-то увидели процесс, который предсказали целых сорок три года назад.

Как можно использовать построенный вами детектор? Можно ли будет заменить им те огромные установки, которые используют сейчас для исследования нейтрино?

Нет, нельзя. Такие эксперименты, как IceCube, Super-Kamiokande, SNO и другие направлены в первую очередь на изучение космических нейтрино, энергия которых много больше, чем пороговые пятьдесят мегаэлектронвольт. При таких энергиях когерентное рассеяние нейтрино на атомных ядрах почти не происходит, поэтому наш детектор в этих экспериментах будет практически бесполезен.

Зато наш детектор интересен с практической точки зрения. Например, его можно использовать для независимого контроля процессов, происходящих на атомных станциях. Известно, что когда реактор только начинает работу, в основном в нем присутствует уран-235. Затем в нем постепенно нарабатывается плутоний, который тоже делится и дает тепло. При этом мощность реактора поддерживается постоянной, то есть по ней нельзя определить, сколько на данный момент образовалось плутония, поскольку количество делений определить напрямую невозможно. В конце цикла отработанное топливо извлекается из реактора и отправляется на переработку.

В чем же заключается проблема? В том, что сейчас реакторы поставляются в страны третьего мира, доверие к которым может оказаться не очень высоким. В принципе, ничто не мешает им достать образовавшийся плутоний и использовать его в своих целях (например, для разработки ядерного оружия), а недостаток мощности компенсировать ураном. При этом имеющимися техническими средствами отследить изменение состава топлива практически невозможно.

Однако реакции деления плутония и урана все-таки отличаются: в случае урана на один распад приходится примерно семь нейтрино, в случае плутония — шесть. Это отличие можно заметить, если измерить интенсивность потока нейтрино. В принципе, нейтринные детекторы, которые осуществляют мониторинг атомных станций, уже существуют. Однако сечение упругого когерентного рассеяния намного больше, чем сечение процессов, которые используют существующие детекторы. Поэтому детектор, основанный на когерентном рассеянии, получается намного меньше. К тому же при прочих равных скорость счета нейтрино в нем больше, и использовать его для мониторинга удобнее.