Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук (CAS) сообщил, что крупнейший в мире детектор нейтрино — установка JUNO в провинции Гуандун — начали заполнять сверхчистой водой. Заполнение пройдёт в два этапа и станет финальной стадией подготовки детектора к работе. Научный поиск на JUNO начнётся в августе 2025 года — на 3–5 лет раньше запуска подобных установок в США и Японии.

Источник изображения: Xinhua

Детектор нейтрино JUNO представляет собой колодец высотой с 12-этажный дом. Внутри колодца размещена 35-м сфера из акрила, удерживаемая 41,1-м каркасом из стали. Всё это расположено на глубине 700 метров, чтобы скалы отсеяли как можно больше случайных частиц из космоса и земного происхождения. Для нейтрино всё это не преграда. Чтобы одна частица нейтрино с вероятностью 50 % столкнулась с атомом, необходима стена свинца толщиной в один световой год. Но поскольку нейтрино — это вторая по количеству частица во Вселенной, их так много, что частота столкновений в детекторе будет достаточной для проведения наблюдений.

В частности, детектор JUNO ежедневно будет определять около 40 нейтрино от работающих неподалёку атомных реакторов АЭС, несколько атмосферных нейтрино, одно геонейтрино и тысячи солнечных нейтрино. В течение шести лет работы учёные рассчитывают обнаружить около 100 тыс. нейтрино, что поможет продвинуться в их изучении. Нейтрино уникальны — они три в одном. В процессе движения от Солнца, например, нейтрино переходят из одного типа в другой, затем в третий и возвращаются к первому. При этом каждый раз у них меняется масса. Новейшие детекторы нейтрино, прежде всего, будут уточнять распределение масс всех трёх типов нейтрино: мюонного, электронного и тау-нейтрино.

В детекторе JUNO и в других аналогичных установках нейтрино взаимодействуют с жидкостью в камерах, вызывая рождение фотонов. Фотоны регистрируются тысячами сверхчувствительных фотодетекторов, установленных на стенках сферической камеры. По трекам фотонов учёные будут определять характеристики частиц, проявивших себя во взаимодействии, — их энергию, а значит, и массу.

В колодец детектора будет закачано 35 тыс. тонн сверхчистой воды и ещё 20 тыс. тонн сверхчистой воды — в сферу детектора. Скорость закачки жидкости достигает 100 т/ч. (У России на этот случай есть Байкал, сверхчистая вода которого позволяет просто опустить детекторы нейтрино в его воды на глубину.) В течение первых двух месяцев сверхчистая вода будет заполнять как внутреннюю, так и внешнюю поверхность гигантской сферы. После этого, в течение следующих шести месяцев, сверхчистая вода внутри сферы будет заменена жидким сцинтиллятором. Обычно это жидкий аргон.

Процедура подготовки детектора JUNO должна завершиться к августу 2025 года. Работа установки продлится 30 лет. Её стоимость составляет $376 млн. Помимо китайских учёных, в проекте принимают участие исследователи из 17 других стран и регионов, почти 300 из которых представляют Европу, включая Италию, Германию и Францию. Аналогичные детекторы DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии должны быть приняты в эксплуатацию ближе к 2028 году, но,похоже , начнут работу ощутимо позднее.

На днях шведское издательство MDPI опубликовало статью, посвящённую разработке детекторов нейтрино для научного мегапроекта DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) в США. Хотя в коллективе учёных были представители нескольких стран, существенный вклад в разработку непосредственно датчиков внесли российские исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ).

Источник изображения: techspot.com

Два месяца назад в США завершилась выемка грунта для подземных лабораторий проекта DUNE. До установки датчиков пройдёт ещё от четырёх до семи лет. Но в целом, если судить по статье, основа для производства этих приборов уже создана. У сотрудников МФТИ богатейший опыт в разработке детекторов элементарных частиц и он был востребован в новой работе.

Нейтрино остаются не до конца изученными частицами. Они слабо взаимодействуют с веществом, поэтому их крайне сложно обнаружить. В двух лабораториях DUNE будут установлены огромные резервуары с жидким аргоном (до 17 тыс. тонн), стенки которых оснастят детекторами фотонов. Эти датчики должны выдерживать частые перепады температур от криогенных до комнатных и обратно, оставаясь при этом высокочувствительными.

Схема эксперимента. Источник изображения: Wikipedia

«При разработке [детектора] ArCLight самым сложным этапом для нас оказалось подобрать материалы так, чтобы детектор выдерживал многократные охлаждения до температуры жидкого аргона (~187 К) и нагревы обратно до комнатной. При низкой температуре полимерные материалы становятся хрупкими, и, если коэффициенты теплового расширения не соответствуют, детектор может разрушиться — треснуть», — пояснил Игорь Кресло, ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий МФТИ.

Задача фотонного детектора ArCLight — регистрировать сцинтилляционный свет, возникающий при взаимодействии нейтрино со средой время-проекционной камеры, в данном случае с жидким аргоном. Особенность прибора ArCLight заключается в том, что его можно разместить на стенках аргоновой камеры, так как он не искажает направляющее электрическое поле.

Слева — прототип ArgonCube Light (ArCLight) размером 10 × 10 см с четырьмя кремниевыми фотоумножителями (SiPM). Справа —принципиальная схема работы ArCLight на примере детектирования излучения вакуумного ультрафиолета. Источник: Instruments.

Физики сконструировали ряд прототипов фотодетекторов разных размеров: от небольших, 5 × 5 см, до необходимых для ближнего детектора DUNE — 30 × 50 см. Фотонная эффективность приборов варьируется в диапазоне от 0,8 % до 2,2 %. Чем выше эффективность, тем слабее энергии фотонов сможет регистрировать датчик, что напрямую влияет на сбор статистически значимых данных. Чем больше регистраций, тем полнее информация о свойствах нейтрино.

Учёные из МФТИ испытали различные способы нанесения рабочих слоёв на датчики и разработали систему контроля качества приборов. Для полного покрытия стенок двух огромных резервуаров потребуется огромное количество детекторов, включая запасные модули. Для этого уже создан необходимый задел.

Изучение нейтрино наряду с поиском тёмной материи становится новым видом состязаний между передовыми странами. Китай легко включился в гонку с США. Пока там раскачиваются с новым экспериментальным комплексом DUNE, в Китае завершили создание крупнейшего в мире детектора нейтрино JUNO, упрятанного на глубине 700 м под холмами на юге страны. Объект начали строить в 2015 году и намерены ввести в строй в 2025.

Источник изображения: Xinhua

Китайские СМИ сообщили о завершении создания сферического детектора из акрила. Его диаметр достигает 35,4 м, а высота камеры с ним достигает 12 этажей. В детектор будет залито 20 тыс. тонн жидкости, которая будет вспыхивать при взаимодействии с проходящим через детектор нейтрино. Светочувствительные датчики на сфере измерят траекторию и энергию прореагировавшего с веществом нейтрино. И это будут достаточно редкие события. Хотя Землю и нас с вами непрерывно омывает поток разнообразных нейтрино — каждую секунду через сечение площадью 1 см² проходит 60 млрд этих частиц — для взаимодействия нейтрино с веществом с вероятностью 50 % нужна стена свинца толщиной в один световой год.

Детектор JUNO в Китае каждый день будет определять примерно 40 нейтрино от недалеко работающих атомных реакторов АЭС (его местоположение было выбрано с учётом детектирования реакторных антинейтрино), несколько атмосферных нейтрино (возникающих при взаимодействии космических частиц с атомами газов в атмосфере), одно геонейтрино (от распада радиоактивных ядер в недрах Земли) и тысячи солнечных нейтрино. В течение 6 лет работы учёные рассчитывают обнаружить около 100 тыс. нейтрино и далеко продвинуться в их изучении.

Нейтрино были предсказаны как безмассовые частицы. После фотонов их больше всего во Вселенной. Позже обнаружилось, что нейтрино осциллируют — по мере движения в пространстве переходят из одного типа в другой (всего их три). Это происходит благодаря наличию масс у каждого из нейтрино, и все они разные. У каждого типа (массы) своя частота распространения волны (см. двойственную природу элементарных частиц). Совпадение фаз даёт мюонное нейтрино, а противофазы — электронное. В остальных случаях оно обычное. При распространении нейтрино переходят из одного типа в другой по мере изменения сумм фаз. Китайский эксперимент JUNO и американский DUNE должны внести больше ясности в вопрос иерархии масс всех трёх типов нейтрино.

Нейтрино были теоретически предсказанные ещё в 1934 году. Но эти элементарные частицы продолжают оставаться средоточием научных тайн для учёных. Для углублённого понимания физики этих частиц в США создают гигантский комплекс с системой подземных тоннелей. Чуть больше месяца назад завершились масштабные земляные работы, в ходе которых было извлечено 800 тыс. тонн породы. На очереди подготовка помещений к развёртыванию оборудования, на что уйдут годы.

Источник изображений: techspot.com

Эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) будет включать два детектора нейтрино: ближний и дальний. База между источником мюонных нейтрино в Фермилаб и дальним детектором составит 1300 км. Ближний детектор будет размещён недалеко от источника, а дальний — в Южной Дакоте под Сэнфордской лабораторией. В августе рабочие закончили извлекать грунт под Сэнфордской лабораторией, создав, в том числе под землёй пространство для детектора высотой с 7-этажный дом.

Впечатляющий объём грунта между лабораторным источником нейтрино и дальним детектором, а также специальные камеры для них, содержащие по 17 тыс. т жидкого аргона, нужны для отсеивания нейтрино из других источников (космические и, особенно, солнечные), а также для фильтрации иных элементарных частиц. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Им нужны хорошие фильтры и особые детекторы. Например, чтобы повысить вероятность столкновения нейтрино с веществом до 50 % необходимо направить его сквозь сплошную стену свинца толщиной в один световой год. Толща земли, жидкий аргон и другие технические решения призваны создать для детектирования нейтрино в эксперименте наиболее благоприятные условия.

Схема эксперимента. Источник изображения: Wikipedia

Как сообщило недавно Министерство энергетики США, финансирующее проект из бюджета, установка детекторов в дальней части проекта намечена на 2028 год и лишь после этого будет смонтирован ближний детектор. Ранее предполагалось завершить последнюю фазу ввода детектора в строй в 2027 году. Похоже, планы растянутся ещё на годы: от 3 до 5 лет.

Физики коллаборации FASER впервые смогли получить нейтрино высоких энергий в земной лаборатории. Рукотворные нейтрино были произведены на Большом адронном коллайдере (БАК). Характеристики этих частиц полностью соответствовали Стандартной модели. Учёным впервые удалось буквально пощупать эти неуловимые частицы, что поможет проверять теории в фундаментальной физике и расширять её границы.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Нейтрино низких энергий регистрируются достаточно давно, например, это могут быть солнечные нейтрино. Также учёные научились регистрировать нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие из глубин космоса. Для этого глубоко под землёй или в толще льдов (например, в Антарктике и на Байкале) размещаются детекторы, которые способны уловить эти частицы со сверхвысокой энергией. Полученные результаты соответствуют теории и служат доказательством правоты учёных.

Нейтрино высоких энергий регистрируются крайне редко и никогда не были получены на Земле искусственным путём. Речь идёт о диапазоне энергий от 200–300 ГэВ (гигаэлектронвольт) до 10 ТэВ. Впервые заявка о проникновении учёными в данный диапазон энергий была сделана в марте 2023 года. Что отдельно приятно, за анализ значительной части экспериментов и его теоретическое обоснование надо благодарить российский Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). Не исключено, что в подготовке новой работы, опубликованной в прошлом месяце в журнале Physical Review Letters, также принимали участие российские физики.

Схема установки с детектором

Исследователи изучили часть объёма детектора FASER𝜈 в эквиваленте около 129 кг (общий вес детектора достигает 1,1 т — его датчики состоят из чередующихся пластинок вольфрама и фотоэмульсии). Учёным удалось выявить четырёх кандидатов в события от взаимодействий электронных нейтрино и восемь кандидатов события от взаимодействий мюонных нейтрино — все с достоверностью выше 5 «сигма», что эквивалентно открытию. Все кандидаты в рукотворные нейтрино были в малоизученном на практике диапазоне энергий от 520 до 1760 ГэВ. Измеренные характеристики частиц полностью соответствуют Стандартной модели, что стало очередным доказательством, что земная наука немного разбирается в том, как устроен наш мир.

Для астрофизики настали чудесные дни. Вчера было сообщено о революционном открытии фонового шума во Вселенной, создаваемого гравитационными волнами от слияния сверхмассивных чёрных дыр, а сегодня учёные доложили об открытии нового способа изучения космоса с помощью нейтрино. Впервые с помощью нейтрино удалось определить примерные источники высокоэнергичных космических лучей и это даёт новый взгляд на Вселенную.

Источник изображения: Pixabay

Учёные давно ищут источники высокоэнергичных частиц, которые прилетают из космоса на Землю. Их энергии таковы, что они должны рождаться вне пределов нашей галактики, чтобы они смогли преодолеть местные магнитные поля и вырваться в межзвёздное пространство. К сожалению, те же магнитные поля решительно изменяют траектории заряжённых частиц (протонов и заряженных атомных ядер) и это не позволяет отследить их до источника.

Другое дело нейтрино. Они почти не взаимодействуют с веществом и магнитными полями, поскольку имеют ничтожную массу и не имеют заряда. Поэтому нейтрино движутся по прямой траектории и могут указать на источник своего происхождения. Этим источником могут быть следы, которые высокоэнергичные частицы оставляют на своём пути, когда они врезаются в пыль и газ на своей траектории. Одним из продуктов таких столкновений является пара кварк-антикварк, известная как пион. Распад заряженных пионов, в свою очередь, порождает высокоэнергетическое электронное нейтрино. Проследив за траекторией этих нейтрино можно выйти на источник высокоэнергичных космических частиц.

Но есть ещё одна проблема — отсеять неуловимые высокоэнергетическое нейтрино из фона местных и таких же слабо регистрируемых нейтрино. В частности, необходимо было подавить фон атмосферных нейтрино (мюонных нейтрино). Вручную и с помощью обычных алгоритмов это не удавалось сделать много лет, пока на помощь не пришло машинное обучение. С помощью обучающихся алгоритмов учёные смогли заново проанализировать 10 лет наблюдений за нейтрино на установке IceCube во льдах Антарктиды.

Вид на нашу галактику в разных диапазонах. Нижнее изображение сформировано из данных по нейтрино. Источник изображения: IceCube Collaboration

Новый метод анализа позволил включить в набор данных в 20 раз больше событий с лучшей информацией о направлении, и это дало ошеломляющий результат. Учёным открылась новая карта Вселенной и, в частности, новый взгляд на нашу галактику Млечный Путь. Со статистической значимостью около 4,5 сигма (чуть-чуть не дотянули до пятёрки, что означало бы безоговорочное признание в научной среде открытия) были указаны источники высокоэнергичных нейтрино в центре нашей галактики, а не где-то там в невообразимой дали. Это даёт намёк на зарождение частиц с колоссальной энергией в центре нашей галактики, а не где-то за её пределами. В центре Млечного Пути происходит что-то невообразимое по выбросам энергии, и этот процесс оказалось возможным рассмотреть и, в перспективе, изучить.

Нейтрино являются вторыми по распространённости во Вселенной фундаментальными частицами после фотонов, но они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что одно время даже были кандидатами на роль тёмной материи. Всё-таки их можно улавливать и учёные это делают с 1956 года. Однако в коллайдерах нейтрино ещё не получали, пока в 2022 году на БАК не поставили серию экспериментов, уверенно доказавших детектирование нейтрино, полученных искусственным путём.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Любопытно, что установка FASERnu для детектирования нейтрино в ходе экспериментов на БАК собрана из комплектующих, оставшихся от прошлых экспериментов. Детектор поместили в один из боковых служебных коридоров коллайдера, но это не означает, что открытие рукотворных «призрачных частиц» не имеет важного научного значения. До сих пор учёные фиксировали в основном нейтрино низких энергий, тогда как из глубин космоса к нам приходят нейтрино высоких энергий. На БАК были получены как раз высокоэнергичные частицы, что открывает возможность использовать полученные данные для понимания астрофизических процессов.

Отдельно приятно, что значительную часть теоретической работы и обработку данных провели российские физики. В коллаборации FASER эту задачу взял на себя Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). В экспериментах по физике нейтрино для регистрации частиц использовалась ядерная фотоэмульсия — чередование вольфрамовых пластин для замедления нейтрино с фоточувствительной эмульсией.

Устройство детектора FASERnu

«Группа ОИЯИ участвует в моделировании сигнала, реконструкции и анализе фотоэмульсионных данных, проектировании и создании системы охлаждения с возможностью контроля и стабилизации температуры для FASERnu», — рассказала участник коллаборации FASER от ОИЯИ, научный сотрудник Сектора экспериментальной нейтринной физики Светлана Васина.

В предыдущих экспериментах на БАК были детектированы шесть частиц-кандидатов на роль высокоэнергетических нейтрино. Третий запуск БАК в 2022 году с повышенной яркостью дал настолько много данных, что их статистическая значимость превысила 16 сигм при требуемом уровне достоверности 5 сигм. Иначе говоря, сомнения в детектировании на БАК высокоэнергетических нейтрино при таких условиях стремятся к нулю.

Как выглядит детектор FASERnu в реальности

Нейтрино невозможно обнаружить напрямую при сталкивании пучков частиц, но благодаря детектору FASERnu где-то в боковом тоннеле БАК это стало возможным. Тем самым БАК стал инструментом, который полностью воспроизводит весь спектр известных современной физике элементарных частиц, включая бозон Хиггса, ради поиска которого, собственно, Большой адронный коллайдер и строился.