Установка JUNO, которая будет запущена в эксплуатацию в этом году, поможет решить одну из величайших загадок физики — какой тип нейтрино имеет наибольшую массу.
В семистах метрах под холмистым зеленым ландшафтом Кайпина на юго-востоке Китая строители заканчивают работу над детектором в форме сферы диаметром 35 метров, целью которого является наблюдение призрачных субатомных частиц, известных как нейтрино. Если все пойдет по плану, Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (JUNO) стоимостью 376 миллионов долларов США будет готова в конце этого года к работе по обнаружению частиц — говорит физик из Института высоких технологий Китайской академии наук, менеджер JUNO Юэкун Хэн.
Китайская подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь (JUNO). JUNO приступит к работе по обнаружению нейтрино к концу 2024 года. Фото: Цю Синьшэн/VCG
Этот детектор станет первым из нескольких новых детекторов нейтрино, создающихся в настоящее время, которые будут подключены к единой сети. Два других — в Японии и США — должны начать сбор данных в 2027 и 2031 годах.
Основная цель JUNO будет заключаться в том, чтобы помочь исследователям определить, какой тип нейтрино имеет наибольшую массу, а какой наименьшую, что является одной из величайших загадок физики. Решение этой проблемы могло бы помочь физикам понять, что такое нейтрино и почему их масса так мала. Исследователи из JUNO стремятся сделать это, измеряя количество нейтрино, исходящих от двух атомных электростанций, расположенных более чем в 50 километрах от обсерватории. Другая цель — изучить нейтрино, поступающие из других источников, включая Солнце, атмосферу, взрывающиеся звезды и естественные процессы радиоактивного распада на Земле.
7 марта исследователи обсерватории начали наполнять миниатюрную версию детектора жидким сцинтиллятором — смесью растворителя и органических химикатов, которая излучает свет, когда через него проносятся нейтрино. Эта модель проверит, достаточно ли чист сцинтиллятор.
Подход JUNO отличает его от других разрабатываемых детекторов. Планируемый в Японии детектор «Гипер-Камиоканде» будет использовать очищенную воду в качестве среды для обнаружения нейтрино, тогда как «Глубокий подземный эксперимент с нейтрино» в США будет полагаться на жидкий аргон для измерения неуловимых частиц, говорит Мэри Бишай, физик из Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Оба этих детектора будущего будут измерять нейтрино, излучаемые близлежащими ускорителями частиц, а не ядерными реакторами. Подобно телескопам, которые рассматривают космос на разных длинах волн, наличие нескольких детекторов нейтрино, которые используют разные методы для наблюдения нейтрино из различных источников, таких как Солнце и атомные электростанции, позволит исследователям лучше понять характеристики нейтрино и роль этих нейтрино во Вселенной, говорит Бишай. «Это дает нам уникальный способ проверить целостность нашей картины», — говорит она. Жидкий сцинтиллятор должен содержать лишь незначительные следы урана и тория, радиоактивных элементов, которые могут имитировать нейтринные события, когда их распад случайно совпадает с другими сигналами, и могут исказить результаты эксперимента. Если уровни этих элементов слишком высоки, будет практически невозможно измерить нейтрино с чувствительностью, необходимой для решения проблемы упорядочения масс, говорит член команды JUNO Альберто Гарфанини, физик из Университета Падуи, Италия. Поэтому команда заполняет миниатюрную версию JUNO под названием OSIRIS, чтобы проверить радиочистоту жидкости, прежде чем она будет закачана прямо в главный детектор по соседству. Важно сделать это правильно, ибо пути назад уже не будет, как только JUNO заполнится 20 000 тоннами жидкости. «Оно должно быть чистым с самого начала», — говорит Гарфаньини.
Фотоумножители будут обнаруживать вспышки энергии, возникающие при взаимодействии нейтрино с веществом. Авторы и права: Институт физики высоких энергий Китайской академии наук.
Наблюдение нейтрино кажется простым, учитывая, что это самые распространенные частицы, имеющие массу во Вселенной, и миллиарды из них проходят через каждый кубический сантиметр Земли каждую секунду. Но их свойства остаются по большей части загадкой, поскольку большинство из них почти не взаимодействуют с материей, что затрудняет их непосредственное обнаружение. Однако нейтрино могут дать подсказку о том, как развивалась Вселенная, говорит Гарфаньини. «Они являются важным компонентом космологии», — говорит он.
Физики знают, что существует три разновидности нейтрино: электронные, мюонные и тау (каждый из которых назван в честь фундаментальных частиц, из которых они образуются). Более двух десятилетий назад эксперимент «Супер-Камиоканде» в Хиде (Япония) и Нейтринная обсерватория Садбери в Канаде обнаружили, что нейтрино по мере своего путешествия преобразуются из одного вида в другой, что физики могли бы объяснить, только если бы частицы имели массу. А в 2012 году в ходе нейтринного эксперимента на реакторе Дайя Бэй под Шэньчжэнем, Китай, был точно измерен один из параметров, описывающих скорость, с которой нейтрино переключаются между видами. У нейтрино также есть три массовых состояния — ν1, ν2 и ν3 — и каждый вид представляет собой смесь всех других. Физики пришли к выводу, что ν2 немного массивнее, чем ν1, и что между ν3 и остальными существует большая разница. Но они до сих пор не выяснили, тяжелее или легче ν3, чем его более изученные аналоги. По словам Бишаи, ответ на эту проблему упорядочения масс остается неуловимым, поскольку для этого требуются более крупные и более чувствительные детекторы, расположенные достаточно близко к хорошо изученному источнику нейтрино. «Для того эффекта, который вы ищете, необходимо находиться в оптимальном месте».
Более 40 000 фотоумножителей, детектирующих нейтрино, покрывают основную сферу детектора. Фото: Институт физики высоких энергий Китайской академии наук.
ЮНОНА расположена под гранитным холмом, который будет действовать как щит от космических лучей — сверхзаряженных частиц из космоса, которые могут заглушить слабые сигналы нейтрино. Каждый день исследователи и строители в флуоресцентных костюмах совершают 15-минутную поездку по канатной дороге по крутому 1,3-километровому туннелю, чтобы продолжить строительство детектора в нетронутом помещении с контролируемой температурой. Акриловую сферу, которая готова примерно на две трети, вскоре погрузят в 35 000 тонн воды высокой чистоты, что дополнительно защитит детектор от фонового излучения. Как только жидкий сцинтиллятор пройдет тест на радиочистоту, он будет заправлен в основной детектор. Весь процесс займет шесть месяцев, говорит Хэн.
Причина его сложного местоположения заключается в следующем. JUNO находится между двумя атомными электростанциями, каждая из которых расположена на расстоянии 53 километров, которые будут снабжать детектор постоянным потоком электронных антинейтрино, имеющих ту же массу, что и нейтрино. Огромное их количество, производимое этими электростанциями, даст исследователям возможность измерить их с точностью, необходимой для определения их массового порядка, говорит Хэн. Нейтрино невозможно обнаружить напрямую, поэтому, чтобы определить их массу, физики измеряют энергию других частиц, образующихся в тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействует с материей. В случае JUNO, когда электронное антинейтрино сталкивается с протоном в жидком сцинтилляторе, в результате взаимодействия образуются позитрон и нейтрон — процесс, называемый обратным бета-распадом. Энергия позитрона приводит к вспышке света, а нейтрон производит еще одну вспышку, когда его захватывает протон. Эти контрольные вспышки — с интервалом в 200 микросекунд — будут измеряться более чем 40 000 пузырькообразных фотоумножителей, которые покроют сферу. Разница во времени между этими вспышками поможет исследователям отделить нейтрино от мешающих фоновых сигналов, говорит Гарфаньини. Исследователи надеются обнаружить 100 000 нейтрино в течение следующих шести лет. Размер JUNO, экранированная среда и близость к источникам ядерной энергии сделают его одним из самых чувствительных детекторов нейтрино в мире, говорит Джеффри Тейлор, физик из Мельбурнского университета в Австралии. Это дает хороший шанс решить вопрос о массовом порядке нейтрино до того, как начнутся другие эксперименты, добавляет он.
Источник: Nature