Немного посолить, затем ждать до обнаружения внегалактических нейтрино

Работа японского нейтринного детектора Суперкамиоканде (Н.Н.: в русском языке принято писать "Суперкамиоканде", хотя по-английски название этой установки пишется как "Super-Kamiokande"; если же верить руководителю проекта и Нобелевскому лауреату по физике за 2002 год Масатоши Кошибе, то наиболее правильно написание "Super-KamiokaNDE") может быть существенно улучшена, если растворить 100 тысяч килограмм трихлорида гадолиния в гигантском резервуаре со сверхчистой водой, который является сердцем японской установки. Джон Биком (John Beacom) из университета штата Огайо (США) и Марк Вэгинс (Mark Vagins) из Калифорнийского университета в городе Ирвайн утверждают, что добавка трихлорида гадолиния (GdCl₃) впервые позволит регистрировать на Земле нейтрино, которые возникли вне пределов нашей галактики (Phys.Rev.Lett.93, 171101, 2004).

Нейтрино является одной из фундаментальных частиц. Известны нейтрино трех сортов: электронные, мюонные и тау-лептонные. Источником подавляющего числа электронных нейтрино, регистрируемых на Земле, является Солнце. Кроме того, нейтрино всех трех сортов образуются при взрывах сверхновых звезд. Нейтрино всех сортов чрезвычайно трудно обнаружить, поскольку эти частицы электрически нейтральны, имеют чрезвычайно малую массу и взаимодействуют с остальным веществом только по средствам слабого взаимодействия.

Основной частью детектора Суперкамиоканде является большой резервуар, содержащий 50 тысяч тонн сверхчистой воды. Детектор находится в шахте на глубине 1000 метров в одной из центральных областей Японии. Эксперимент способен регистрировать электронные и мюонные нейтрино (но не тау-нейтрино) по вспышкам черенковского излучения, которое испускается при взаимодействии нейтрино в электронами молекул воды в объеме детектора. Используя новый метод, Суперкамиоканде впервые сможет идентифицировать антинейтрино.

В процессе взаимодействия электронного антинейтрино с протоном молекулы воды образуются нейтрон и позитрон. Однако, в настоящее время нейтроны не могут быть зарегистрированы непосредственно, а позитроны — выделены на фоне электронного и гамма-излучений.

Биком и Вэгинс предложили решение данной проблемы: необходимо добавить в резервуар с чистой водой примерно 0,2% GdCl₃, что соответствует 100 тоннам этого вещества. Данное предложение основано на том, что гадолиний гораздо эффективнее взаимодействует с нейтронами, чем свободные протоны. Действительно, сечение взаимодействия гадолиния с тепловыми нейтронами равно 49000 барн, в то время как соответствующее сечение для протонов составляет всего 0,3 барн(Н.Н.: барн — это специальная единица для измерения сечений в ядерной физике; 1 барн = 10 -24 м2).

"Существующие эксперименты могут обнаруживать нейтрино, которые образовались только при взрывах сверхновых звезд в нашей галактике," — объяснили Биком и Вэгинс корреспонденту журнала "PhysicsWeb": "Мы предлагаем метод, который улучшит чувствительность современных нейтринных детекторов настолько, что они смогут регистрировать нейтрино, пришедшие почти из половины известной в настоящее время Вселенной. Вместо многолетних ожиданий очередного взрыва сверхновой в нашей галактике, мы сможем регистрировать непрерывный поток нейтрино от сверхновых, которые взрываются в удаленных галактиках". Добавка GdCl₃сделала бы установку Суперкамиоканде в 50 раз более чувствительной к антинейтрино от ядерных реакторов, что позволило бы Суперкамиоканде конкурировать с установкой KamLAND, которая работает в той же шахте.

В настоящее время Биком и Вэгинс выполняют опытно-конструкторские работы по технике фильтрации GdCl₃в Ирвайне. Они надеются в будущем году проверить свои разработки на 1000 тонном детекторе в Японии, а летом 2006 года начать работы на Суперкамиоканде.

В прошлом году ученые, работающие на установке SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде, сообщили, что им удалось увеличить в три раза чувствительность своего детектора добавлением 2000 килограмм сверхчистой соли хлорида натрия. Используя тяжелую (а не обычную) воду установка SNO способна регистрировать все три типа нейтрино. Однако канадский нейтринный детектор много меньше, чем Суперкамиоканде. Поэтому он регистрирует намного меньше событий, чем японский супергигант.

Перевод Н. Никитина

На рисунке в начале статьи представлен вид боковой и верхней частей установки Суперкамиоканде. В поле зрения фотоаппарата попали примерно 9000 детекторов черенковского излучения.

Читателям, которые заинтересовались проблемой регистрации солнечных нейтрино, можно посоветовать прочитать Нобелевскую лекцию профессора Масатоши Кошибы, которая опубликована на русском языке в журнале "Успехи физических наук".

Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"