Беседы с учеными

Нейтрино нужно разговорить

(Продолжение. Начало в № 29.)

Польза от нейтрино "для народного хозяйства"

Что вы можете сказать о прикладных исследованиях в области нейтринной физики?

Меня очень часто спрашивают, какую пользу можно извлечь из этих исследований. На это можно посмотреть с разных точек зрения. Первая - это очевидная практическая польза. Можно ли нейтрино, так сказать, использовать в народном хозяйстве? Можно. Например, есть ядерные реакторы, которые излучают антинейтрино. Это происходит просто потому, что обычные ядра, когда они разваливаются и выделяют энергию, переходят в ядра, богатые нейтронами. Эти ядра нестабильные, они распадаются сами по себе и генерируют антинейтрино. Людям, которые работают на ядерных реакторах, в каком-то смысле нет дела до нейтрино. Их интересует только ядерная энергия. Однако ядерный реактор в то же время является и очень интенсивным источником антинейтрино, причем бесплатным. Можно поставить недалеко свой детектор, измеряющий нейтрино, - он уже есть, например, на Калининской атомной станции в Тверской области.

В какой обстановке проводятся эти эксперименты?

На Калининской АЭС находятся четыре реактора, и под каждым из них согласно проекту существует пустая комната. ОИЯИ и Институту теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) благодаря договоренностям с "Росатомом" было разрешено поставить в эту комнату научное оборудование. Таким образом, получилось создать лабораторию с самым маленьким расстоянием до центра ядерного реактора - около 8 метров.

Это не опасно?

Там существует надежная защита от всего ядерного излучения. От нейтрино защититься нельзя, но оно и не может навредить здоровью. Детектор массой около тонны может регистрировать огромные потоки нейтрино, собирая большую статистику данных - порядка пяти тысяч событий в день. Один из экспериментов - это поиск стерильных нейтрино, другой - поиск возможного магнитного момента у нейтрино, третий - исследование и измерение вероятности когерентного рассеяния нейтрино на ядре.

Поясните, пожалуйста, о чем идет речь.

Процесс когерентного рассеяния весьма интересен, поскольку на фундаментальном уровне нейтрино взаимодействует с протонами и нейтронами, из которых состоит ядро. Еще точнее - с кварками, из которых состоят протоны и нейтроны. Так вот, при энергиях нейтрино порядка нескольких миллионов электронвольт оказывается, что вероятность взаимодействия нейтрино с ядром, содержащим N нейтронов, больше соответствующей вероятности взаимодействия с одним нейтроном в N² раз! Этот эффект возникает в результате когерентного сложения амплитуд вероятности и служит замечательной иллюстрацией законов квантовой механики. Недавно этот процесс был обнаружен коллаборацией COHERENT.

Каково практическое значение таких экспериментов?

Могу привести пример. В процессе работы промышленного ядерного реактора вырабатываются не только полезная энергия, но и ядра плутония-239. Теоретически он может быть использован для создания ядерного оружия. Поэтому очень важно контролировать его производство, и общество тратит на это немалые средства и силы. Регистрация антинейтрино от ядерного реактора является, среди прочего, надежным способом измерения количества ядер плутония-239 в реакторе.

Не менее, а, может быть, даже более важна польза от развития технологий, связанных с исследованием нейтрино, необходимых для того, чтобы сделать следующий шаг в науке.

То есть с помощью нейтрино можно осуществлять контроль за ядерной безопасностью?

Да. К тому же нейтрино невозможно обмануть. Какой способ используется сейчас? Ядерные компании обязаны сообщать, какая мощность вырабатывается у реактора в каждый момент времени. А дальше, в рамках теоретических моделей, можно эту мощность пересчитать в количество плутония, которое там произведено. Но если компания по какой-то причине сообщает неправильные значения мощности, то вы будете делать ошибочное заключение о количестве плутония - например, считать, что его произведено меньше, чем на самом деле. А ведь излишки могут пойти на создание атомного оружия.

Методика, использующая нейтрино для оценки количества рожденного плутония-239, сейчас в стадии разработки. В рамках международного эксперимента на АЭС Daya Bay в Китае мы с коллегами надежно доказали, что это работает. Мы этот эффект увидели, и в разных научных центрах исследуются возможности его прикладного применения.

Как еще может практически применяться нейтрино?

Поскольку нейтрино довольно слабо взаимодействует с веществом, оно может без проблем пройти сквозь Землю. Но чем больше вещества, тем чаще нейтрино с ним взаимодействует. Более того, число взаимодействий нейтрино внутри нашей планеты будет зависеть от типа атомов тех или иных веществ, от того, сколько протонов и нейтронов в ядрах этих атомов. Никаких других надежных способов проникнуть внутрь и узнать, из каких химических элементов состоит Земля, пока не существует. Для томографии Земли можно использовать атмосферные нейтрино.

Откуда они берутся?

На Землю постоянно падают космические протоны, они взаимодействуют с ядрами азота, кислорода и других элементов атмосферы и рождают пионы, каоны и другие частицы, которые иногда распадаются с рождением нейтрино. Поэтому вся атмосфера светится нейтрино. Со всех сторон они падают на Землю, проходят сквозь Землю, и, если поставить достаточное число детекторов и измерить, сколько нейтрино проходит с той или иной ее стороны, можно просканировать Землю.

Развитие нейтринной физики сопровождается созданием новых установок и оборудования. Насколько они применимы в других областях науки и в повседневной жизни?

Любой физический эксперимент, в том числе с нейтрино, находится на переднем крае науки. Соответственно, каждый следующий шаг всегда требует новых технологий. А потом этими технологиями пользуется все человечество, уже без всякой связи с нейтрино.

Можете привести пример?

Скажем, высокочувствительные фотоэлектронные умножители. Их можно использовать в медицине, в томографии.

Нейтринный телескоп на Байкале

На какой стадии находится строительство Байкальского нейтринного телескопа?

На озере Байкал мы вместе с Институтом ядерных исследований Российской академии наук в составе международной коллаборации строим подводный нейтринный телескоп, который в следующем году будет размером в половину кубического километра, а потом и в полтора кубических километра. Уже на сегодняшний день построено 0,35 км³. Эта установка - крупнейший нейтринный телескоп в Северном полушарии. Сегодня он состоит из семи независимых кластеров. Сейчас в создание телескопа вкладывается очень много сил и денег. Мы верим, что в ближайшее время он начнет давать очень интересные физические результаты.

Что конкретно достигнуто?

В основном силы коллаборации сейчас брошены именно на строительство экспериментального прибора. Параллельно ведутся серьезные работы, связанные с анализом экспериментальных данных. Уже сейчас есть некоторые интересные кандидаты на нейтринное взаимодействие с огромными энергиями.

Какое значение для вашей работы имеет обнаружение нейтрино ультравысоких энергий в 2013 году в рамках эксперимента IceCube в Антарктиде?

Это важнейшее открытие играет ключевую роль. Мы теперь знаем, что наш телескоп обязательно увидит нейтрино из космоса, а значит, инвестиции будут не напрасны. Отличные свойства байкальской воды могут позволить нам определить источники нейтрино сверхвысоких энергий.

Входит ли в ваши планы создание на Байкале полноценной нейтринной обсерватории, сравнимой с IceCube?

Конечно. На 106-м километре Кругобайкальской железной дороги есть станция, где находится наш нейтринный Береговой центр. Центр серьезным образом модернизируется, появляются новые жилые домики, новая береговая станция для сбора информации с нейтринного телескопа. Там очень красиво, туда приятно будет приезжать, жить там и работать. Он станет очень важным мировым центром нейтринной физики.

Нейтрино из глубин Земли

Что такое геонейтрино?

Если копать вглубь Земли, она становится все более и более горячей. В самом центре Земли находится очень горячее железное ядро. Это знает, наверное, каждый школьник. Но вот почему к центру Земли становится все горячее - никто не знает наверняка.

Существуют две модели, объясняющие это явление. Первая: когда планета была еще холодная, более тяжелые элементы начали опускаться вниз, более легкие всплывали к поверхности. В результате такой гравитационной дифференциации начало выделяться тепло, которое нагревало внутренность Земли.

Вторая модель предполагает, что внутри нашей планеты находятся радиоактивные элементы, такие как уран или торий. В распадах этих радиоактивных ядер, как и в ядерном реакторе, выделяется тепло, и оно идет на то, чтобы нагревать планету. Чтобы проверить вторую гипотезу, можно воспользоваться тем, что в таких ядерных распадах обязательно должны рождаться антинейтрино. Если мы сможем увидеть антинейтрино, идущие прямо из глубин Земли с энергиями, характерными для распадов ядер, то мы сможем определить вклад этого механизма в разогрев планеты.

Два эксперимента несколько лет назад обнаружили антинейтрино, идущие из глубин Земли. Это эксперимент KamLAND в Японии и эксперимент Borexino в Италии. В последнем эксперименте принимают участие ученые из ОИЯИ. Хотя само существование геонейтрино надежно подтверждается данными обоих экспериментов, точность измерения потоков пока не очень высока; общее число наблюдаемых событий около двух сотен. Тем не менее это позволяет говорить о том, что такой сигнал есть. Интерпретация результатов экспериментов показывает, что примерно половина тепла Земли приходится на радиоактивные распады ядер. В итоге мы теперь принципиально по-новому понимаем, что происходило с нашей планетой и что находится внутри нее.

(Продолжение следует.)