Физика элементарных частиц находится на острие современной науки. Одними из самых малоизученных и загадочных частиц являются нейтрино. Нейтрино исключительно слабо взаимодействуют с материей: каждую секунду через наше тело проходят миллионы нейтрино, и мы не замечаем этого. Более того, нейтрино, за исключением самых энергичных, свободно проходят через Землю.
Фото: Виктор Коротаев, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Виктор Коротаев, Коммерсантъ / купить фото
Все это создает большие трудности для регистрации нейтрино. Но именно слабость взаимодействий нейтрино делает эту частицу идеальным всепроникающим «лучом», позволяющим получать значительную информацию об их источниках. Поэтому измерение потоков нейтрино является крайне важной и интересной задачей современной физики частиц и астрофизики. Надежная регистрация нейтрино могла бы найти важное практическое применение: нейтринный сигнал распространяется без помех, в отличие от обычных электромагнитных волн.
Существуют как природные, так и техногенные источники нейтрино. Широко известны солнечные нейтрино, которые возникают в результате термоядерных реакций, происходящих на Солнце. Исследование загадок, связанных с солнечными нейтрино, в конечном итоге привело к открытию нейтринных осцилляций (взаимопревращение нейтрино разных типов друг в друга при распространении).
Другой тип нейтрино — геонейтрино; они возникают в результате распада радионуклидов в Земле. Их изучение позволит судить о природе внутреннего тепла Земли, ее структуре и даже происхождении. Еще один очень активно изучаемый в настоящее время тип нейтрино — атмосферные нейтрино. Космические лучи, постоянно бомбардирующие атмосферу из космоса, приводят к образованию большого количества нестабильных частиц, многие из которых в распадах и образуют нейтрино. В настоящее время атмосферные нейтрино являются важным инструментом для изучения свойств нейтрино и, в частности, нейтринных осцилляций.
Несколько лет назад в эксперименте IceCube (США) в Антарктиде были обнаружены так называемые астрофизические нейтрино очень высоких энергий. Предполагается, что их источниками могут являться далекие астрономические объекты — например, ядра активных галактик.
Помимо этого огромные потоки нейтрино должны образовываться при взрывах сверхновых звезд, происходящих в видимой части Вселенной. Современная космология предсказывает существование реликтовых нейтрино, по своему происхождению близких к реликтовому излучению фотонов. Считается, что эти нейтрино образовались на самых ранних этапах эволюции Вселенной.
Регистрацией нейтрино и изучением их свойств, а также характеристик их источников занимаются во многих международных научных центрах, в том числе в нашей стране. Так, поток солнечных нейтрино измерялся на галлий-германиевом нейтринном телескопе в рамках российско-американского эксперимента SAGE. Этот нейтринный детектор, созданный силами ученых Баксанской нейтринной обсерватории, филиала Института ядерных исследований РАН (БНО ИЯИ РАН), расположен на Северном Кавказе в Баксанском ущелье в толще горы (для минимизации воздействия других излучений). Строительство обсерватории в Баксанском ущелье началось в 1967 году и было закончено только в середине 1980-х годов. В 2001 году за достижения в области исследований потока нейтрино от Солнца сотрудникам ИЯИ РАН была присуждена Международная премия им. Б. М. Понтекорво.
В настоящее время ученые БНО ИЯИ РАН работают над проектом большого подземного сцинтилляционного нейтринного телескопа, на котором можно будет проводить эксперименты по детальному изучению геонейтрино, зарегистрированных относительно недавно, в экспериментах KamLAND (Япония) и Borexino (Италия).
Для изучения астрофизических нейтрино в последние несколько лет сотрудники ИЯИ РАН, Объединенного института ядерных исследований, Иркутского государственного университета и других организаций ежегодно ведут на озере Байкал работы по разворачиванию крупнейшего в Северном полушарии нейтринного телескопа. Этот глубоководный черенковский детектор представляет собой гирлянды оптических модулей на тросах, погруженных в воду на глубину около 1 км. Детектор предназначен для исследования природного потока нейтрино высоких энергий. Нейтрино, пройдя сквозь толщу Земли, может с некоторой вероятностью провзаимодействовать в воде озера Байкал и породить каскад заряженных частиц. Черенковский свет от заряженных частиц распространяется в воде озера и регистрируется оптическими модулями установки.
Гораздо менее изучены нейтрино от взрывов сверхновых. Их зарегистрировали лишь однажды, при взрыве сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке. Ученые рассчитывают зарегистрировать диффузный нейтринный фон от взрывов сверхновых на строящейся в настоящее время установке Hyper-Kamiokande в Японии. Целый ряд нейтринных детекторов по всему миру, в том числе в нашей стране, работают в режиме ожидания взрыва сверхновой звезды. Еще более сложной задачей является регистрация реликтовых нейтрино, несмотря на то что, по современным представлениям, плотность вездесущих реликтовых нейтрино в настоящее время составляет несколько сотен в одном кубическом сантиметре.
Для научных исследований учеными используются также нейтрино техногенного и искусственного происхождения. Так, огромные потоки нейтрино образуются в ядерных реакторах атомных электростанций. Рядом с некоторыми АЭС во Франции, Китае, Корее, Японии и России располагаются детекторы нейтрино. Уже давно и активно обсуждается возможность детектирования нейтрино с целью контроля процессов в ядерных реакторах. Кроме того, ускорители частиц также являются мощными направленными источниками нейтрино. Ряд лабораторий использует для исследований искусственные радиоактивные источники нейтрино.
В свете всех этих исследований физики из Института ядерных исследований РАН обратились к теме нейтрино, приходящих от Луны. Дело в том, что значительная часть регистрируемых на Земле нейтрино образуется в результате бомбардировки атмосферы космическими лучами. В результате рождаются сильновзаимодействующие частицы, такие как пионы и каоны. Распадаясь, они дают нейтрино в широком диапазоне энергий.
Ученые ИЯИ РАН Сергей Демидов и Дмитрий Горбунов в результате численного моделирования изучили спектр нейтрино, возникающих в результате взаимодействия космических лучей с Луной.
Важно отметить, что основным фактором, отличающим образование лунных нейтрино от атмосферных, является отсутствие у Луны атмосферы. В атмосфере Земли космические лучи создают так называемые атмосферные ливни частиц, распадающихся на лету и порождающих высокоэнергетический спектр нейтрино. А вот при взаимодействии с Луной значительная доля образующихся пионов и каонов успевает затормозиться в ее грунте, прежде чем распасться. В результате доля низкоэнергичных нейтрино в направлении на Луну оказывается больше, а доля высокоэнергичных нейтрино — меньше, причем существенно, по сравнению с атмосферными нейтрино. На это было указано еще в ранних исследованиях выдающихся российских физиков Григория Зацепина и Людмилы Волковой, работавших в ИЯИ РАН в 1960-х годах. Поток высокоэнергичных лунных нейтрино вычислялся в работе Р. С. Миллера и Т. Коена. Здесь было показано, что на Луне при энергиях выше 10 ГэВ он подавлен примерно в 10 тыс. раз по сравнению со спектром атмосферных нейтрино.
В работе Сергея Демидова и Дмитрия Горбунова смоделирована низкоэнергетическая (менее 1 ГэВ) часть спектра лунных нейтрино. Физики изучили спектр этих нейтрино и вычислили их поток. В результате оказалось, что спектр образующихся нейтрино сдвинут в сторону меньших энергий по сравнению со спектром атмосферных нейтрино и, кроме того, прямо в спектре низкоэнергетических нейтрино есть узкие линии, связанные с нейтрино, образующимися в распадах остановившихся пионов и каонов. Найденные особенности спектра лунных нейтрино позволят отличить их от атмосферных нейтрино а также от диффузного фона нейтрино от сверхновых звезд. Интересно, что спектр лунных нейтрино зависит от плотности лунного грунта вблизи поверхности. Поэтому в перспективе изучение лунных нейтрино может помочь в исследовании свойств лунного грунта. Следует, однако, отметить, что ввиду малости полного потока лунных нейтрино их регистрация — сама по себе исключительно сложная задача. Таким образом, теоретики приблизились еще немного к прояснению вопросов о свойствах нейтрино.
Использованы материалы статьи Lunar neutrinos; S. Demidov, D. Gorbunov, журнал High Energy Physics - Phenomenology