Зарегистрированы нейтрино земного происхождения

Участники эксперимента Borexino объявили о том, что им удалось зарегистрировать электронные антинейтрино, рожденные в результате распада радиоактивных изотопов в коре и мантии Земли.

Нейтрино — стабильные нейтральные частицы, слабо взаимодействующие с веществом, — изучаются довольно давно. Бóльшая часть проведенных опытов была направлена на регистрацию нейтрино, испущенных Солнцем или полученных в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов в атмосфере Земли. Обработав данные этих наблюдений, ученые сумели прояснить некоторые вопросы физики Солнца.

Кроме того, нейтрино (точнее, электронные антинейтрино) рождаются в недрах Земли в результате бета-распада изотопа 40K и некоторых нуклидов из цепей распада долгоживущих изотопов 238U и 232Th. Измерение потока таких геонейтрино может дать ответ на вопрос о том, как распределяются в объеме Земли радиоактивные элементы и насколько важную роль играют процессы их распада.

Регистрировать геонейтрино чрезвычайно трудно: детектор должен иметь огромный объем и находиться в лаборатории, хорошо защищенной от космического и другого фонового излучения. Необходимо также учитывать, что геонейтрино имеют меньшую энергию, чем солнечные и атмосферные; это еще сильнее усложняет эксперимент и вынуждает специалистов использовать для обнаружения частиц углеводороды. В объеме детектора электронное антинейтрино может взаимодействовать с протоном с образованием позитрона и нейтрона. Эти частицы, в свою очередь, участвуют в образовании гамма-частиц, которые и служат свидетельством регистрации геонейтрино.

Первое сообщение об обнаружении геонейтрино пришло в 2005 году. Данные, представленные коллаборацией KamLAND, были, однако, не слишком надежны, поскольку ученым пришлось выделять полезные события на фоне потока антинейтрино от расположенных поблизости японских и южнокорейских ядерных реакторов (проект KamLAND направлен именно на изучение реакторных антинейтрино).

Эксперимент Borexino изначально ориентировался на регистрацию низкоэнергетичных солнечных нейтрино. Оборудование, удаленное от реакторов на несколько сотен километров, установлено в подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо, защищенной слоем горных пород толщиной в полтора километра. Детектор имеет сложную структуру; в его центре находится нейлоновая сфера диаметром 4,25 м, удерживающая 278 т жидкого сцинтиллятора — псевдокумола с добавками дифенилоксазола. Этот объем ограждают от внешнего излучения 890 т раствора того же псевдокумола и диметилфталата, заключенного во вторую сферу из нержавеющей стали диаметром 13,7 м. Стальная конструкция размещается в огромной емкости, заполненной 2 400 т сверхчистой воды. Для сбора фотонов, излученных при сцинтилляции, используется 2 212 фотоэлектронных умножителей.

Авторы обработали данные, полученные за два года (537,2 дня непрерывной работы установки). За этот период, как сообщается, было зарегистрировано около 10 — 9,9 (+4,1, -3,4) — событий, соответствующих геонейтрино. Снятые спектры также дают возможность оценить перспективы теории о геореакторе — естественном ядерном реакторе в ядре Земли. Подсчет количества зарегистрированных электронных антинейтрино с подходящей энергией показал, что мощность такого геореактора не может превышать 3 ТВт.

Представитель научной группы Borexino Джанпаоло Беллини (Gianpaolo Bellini) считает полученный результат первым подтвержденным случаем регистрации геонейтрино. Участник упомянутого ранее эксперимента KamLAND Ацуто Сузуки (Atsuto Suzuki) с ним, конечно же, не соглашается. «В 2008 году у KamLAND было уже 73 ± 27 зарегистрированных событий, а у Borexino сейчас — всего 9,9 (+4,1, -3,4), — напоминает ученый. — Думаю, тут и без моих объяснений всё понятно».

Обе стороны, впрочем, согласны с тем, что им требуются бóльшие объемы данных. В настоящее время планируются сразу несколько крупных экспериментов, в том числе амбициозный проект установки детектора массой в 10 тысяч тонн на дне Тихого океана.



Внутренняя поверхность стальной сферы, на которой установлены фотоэлектронные умножители (фото участников проекта Borexino).