Подземная обсерватория солнечных нейтрино SNO в Канаде

Введение

Подземная лаборатория в Онтарио, Канада

Нейтринная обсерватория Садбери (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) располагалась на глубине 2100 м в шахте Creighton Mine компании Vale в Садбери, Онтарио, Канада. Детектор был разработан для регистрации солнечных нейтрино посредством их взаимодействия с большим объемом тяжелой воды. Детектор был запущен в мае 1999 года и выключен 28 ноября 2006 года. После этого коллаборация SNO еще несколько лет занималась анализом собранных данных. Директор эксперимента, Арт Макдональд, был удостоен Нобелевской премии по физике в 2015 году за вклад эксперимента в открытие явления колебаний нейтрино. Подземная лаборатория была расширена и превращена в постоянный исследовательский центр, где сейчас проводятся различные эксперименты под названием SNOLAB. Оборудование SNO модернизируется для использования в эксперименте SNO+.

Экспериментальная мотивация

Первые измерения количества солнечных нейтрино, достигающих Земли, были проведены в 1960-х годах, и все эксперименты, предшествовавшие SNO, регистрировали на треть – половину меньше нейтрино, чем предсказывала Стандартная солнечная модель. Поскольку несколько экспериментов подтвердили этот дефицит, эффект получил название «проблема солнечных нейтрино». На протяжении нескольких десятилетий было предложено множество объяснений этого эффекта, одним из которых была гипотеза о колебаниях нейтрино. Все детекторы солнечных нейтрино, существовавшие до SNO, были чувствительны главным образом или исключительно к электронным нейтрино и практически не давали информации о мюонных и тау-нейтрино. В 1984 году Герб Чен из Калифорнийского университета в Ирвине впервые указал на преимущества использования тяжелой воды в качестве детектора солнечных нейтрино. В отличие от предыдущих детекторов, использование тяжелой воды позволило бы сделать детектор чувствительным к двум реакциям: одна – ко всем типам нейтрино, другая – только к электронным нейтрино. Таким образом, такой детектор мог бы непосредственно измерять колебания нейтрино. Расположение в Канаде было привлекательным, поскольку компания Atomic Energy of Canada Limited, располагающая большими запасами тяжелой воды для своих атомных электростанций CANDU, согласилась предоставить необходимое количество (стоимостью по рыночной цене) бесплатно. Шахта Крейтон в Садбери – одна из самых глубоких в мире и, следовательно, характеризуется очень низким фоновым излучением. Она была быстро признана идеальным местом для строительства предложенного Ченом эксперимента.

Коллаборация SNO провела свою первую встречу в 1984 году. В то время она конкурировала с проектом KAON Factory от TRIUMF за федеральное финансирование, и широкая поддержка SNO со стороны различных университетов быстро привела к его выбору для разработки. Официальное одобрение было получено в 1990 году. В эксперименте наблюдался свет, испускаемый релятивистскими электронами в воде, возникающий в результате взаимодействий с нейтрино. При движении через среду релятивистские электроны теряют энергию, создавая конус голубого света посредством эффекта Черенкова, и именно этот свет непосредственно регистрировался.

Описание детектора

Цель детектора SNO состояла из тяжелой воды, содержащейся в акриловой емкости. Полость детектора, окружающая емкость, была заполнена обычной водой для обеспечения плавучести емкости и радиационной защиты. Тяжелая вода просматривалась примерно 9600 фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), установленными на геодезической сфере радиусом около 100 м. Полость, в которой размещен детектор, была крупнейшей в мире на такой глубине, что потребовало применения различных высокоэффективных методов укрепления горных пород для предотвращения горных ударов. Обсерватория расположена в конце штольни, названной "SNO штольня", что обеспечивает ее изоляцию от других горных работ. Вдоль штольни расположены несколько операционных и технических помещений, все они поддерживаются в условиях чистой комнаты. Большая часть комплекса соответствует классу 3000 (менее 3000 частиц размером 1 мкм и более на 1 фут³ воздуха), но финальная полость, содержащая детектор, соответствует еще более строгому классу 100.

Взаимодействие заряженного тока

В заряженном взаимодействии нейтрино превращает нейтрон в дейтерóне в протóн. Нейтрино поглощается в реакции и образуется электрон. Солнечные нейтрино обладают энергиями, меньшими массы мюонов и тау-лептонов, поэтому в этой реакции могут участвовать только электронные нейтрино. Выпущенный электрон уносит большую часть энергии нейтрино, порядка 5–15 МэВ, и поддаётся обнаружению. Образующийся протон не обладает достаточной энергией для лёгкого детектирования. Электроны, рождённые в этой реакции, испускаются во всех направлениях, но наблюдается небольшая тенденция к тому, что они направлены в сторону, противоположную направлению прихода нейтрино.

Нейтральное взаимодействие тока

В нейтральном взаимодействии нейтрино расщепляет дейтерон, разделяя его на составляющие нейтрон и протон. Нейтрино продолжает двигаться, теряя небольшую часть энергии, и все три типа нейтрино с одинаковой вероятностью участвуют в этом взаимодействии. Тяжёлая вода имеет небольшое сечение для взаимодействия с нейтронами, но при захвате нейтрона дейтериевым ядром образуется гамма-квант (фотон) с энергией около 6 МэВ. Направление гамма-кванта полностью некоррелировано с направлением нейтрино. Часть нейтронов, образовавшихся при расщеплении дейтеронов, проходит через акриловую оболочку в лёгкую водяную оболочку, окружающую тяжёлую воду, и поскольку лёгкая вода имеет большое сечение для захвата нейтронов, эти нейтроны быстро захватываются. В результате этой реакции образуются гамма-кванты с энергией около 2,2 МэВ, но из-за того, что энергия фотонов ниже энергетического порога детектора (то есть они не приводят к срабатыванию фотоумножителей), они непосредственно не наблюдаются. Однако, при столкновении гамма-кванта с электроном посредством комптоновского рассеяния, ускоренный электрон может быть зарегистрирован через излучение Черенкова.

Эластичное рассеяние электронов

В эластичном рассеянии нейтрино сталкивается с атомным электроном и передает ему часть своей энергии. Все три типа нейтрино могут участвовать в этом взаимодействии посредством обмена нейтральным Z-бозоном, а электронные нейтрино – также посредством обмена заряженным W-бозоном. По этой причине в этом взаимодействии преобладают электронные нейтрино, и именно по этому каналу детектор Super Kamiokande (Super K) может наблюдать солнечные нейтрино. Это взаимодействие является релятивистским аналогом бильярда, поэтому электроны, образующиеся в результате столкновения, обычно движутся в направлении, противоположном направлению движения нейтрино (от Солнца). Поскольку взаимодействие происходит с атомными электронами, его частота одинакова как в тяжелой, так и в легкой воде.

Результаты экспериментов и их влияние

Первые научные результаты SNO были опубликованы 18 июня 2001 года и представили первые убедительные доказательства того, что нейтрино осциллируют (то есть способны превращаться друг в друга) по мере своего движения от Солнца. Эта осцилляция, в свою очередь, указывает на то, что нейтрино обладают ненулевой массой. Общий поток всех типов нейтрино, измеренный SNO, хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями. Последующие измерения, проведенные SNO, подтвердили и повысили точность первоначального результата. Хотя Super-Kamiokande опередил SNO, опубликовав свидетельства осцилляций нейтрино еще в 1998 году, результаты Super-Kamiokande не были окончательными и не относились конкретно к солнечным нейтрино. Результаты SNO впервые непосредственно продемонстрировали осцилляции солнечных нейтрино. Это имело важное значение для стандартной солнечной модели. В 2007 году Институт Франклина наградил директора SNO Арта Макдональда медалью Бенджамина Франклина в области физики. В 2015 году Нобелевская премия по физике была совместно присуждена Артуру Б. Макдональду и Такааки Каджите из Токийского университета за открытие явления осцилляций нейтрино.

Другие возможные анализы

Детектор SNO был бы способен зарегистрировать сверхновую в нашей галактике, если бы она произошла в период работы детектора. Поскольку нейтрино, испускаемые сверхновой, высвобождаются раньше фотонов, существует возможность предупредить астрономическое сообщество до того, как сверхновая станет видимой. SNO был одним из основателей Системы раннего предупреждения о сверхновых (Supernova Early Warning System, SNEWS) вместе с Super Kamiokande и детекторами большого объема. Пока таких сверхновых не было зарегистрировано. Эксперимент SNO также мог наблюдать атмосферные нейтрино, образующиеся в результате взаимодействий космических лучей в атмосфере. Из-за меньшего размера детектора SNO по сравнению с Super K, слабый сигнал нейтрино от космических лучей не является статистически значимым при энергиях нейтрино ниже 1 ГэВ.

Участники

Большие эксперименты в физике частиц требуют масштабных коллабораций. С численностью около 100 участников, SNO была относительно небольшой группой по сравнению с коллайдерными экспериментами. В состав коллаборации входили следующие институты:

Почести и награды

В честь СНО назван астероид 14724 SNO. В ноябре 2006 года вся команда SNO была удостоена первой премии имени Джона К. Поланьи за "недавний выдающийся прогресс в любой области естественных наук или инженерии", достигнутый в Канаде. Главный исследователь SNO Артур Б. Макдональд получил Нобелевскую премию по физике в 2015 году совместно с Такааки Кадзитой из Super Kamiokande за открытие явления колебаний нейтрино. В 2016 году SNO был удостоен премии за фундаментальную физику совместно с еще 4 экспериментами по изучению нейтрино.