«Иголка в яйце, яйцо в утке, утка в зайце, заяц в сундуке» — такая ассоциация из сказки возникает, когда представляешь детекторное устройство эксперимента «Борексино».
Почти 300 тонн жидкого сцинтиллятора заключены в нейлоновую сферу радиусом 4 метра, окруженную стальной сферой радиусом 8,5 метра.
Между сферой и нейлоновым мешком находится около 700 тонн буферной жидкости.
Вся конструкция погружена в резервуар, содержащий 2,5 тысячи тонн сверхчистой воды, а сам детектор защищен огромным итальянским горным массивом Гран-Сассо.
Для чего предназначен этот детектор, что он изучает и за какие исследования коллаборация Borexino недавно получила престижную премию Джузеппе и Ванны Коккони? 
Внутри детектора после установки фотоумножителей.
Авторские права: коллаборация Borexino. Идея эксперимента зародилась еще в 1988 году.
Солнечные нейтрино, проходя через сверхчистую жидкость — сцинтиллятор, можно обнаружить по вспышкам света, сопровождающим взаимодействие нейтрино с веществом.
Чтобы «увидеть» эти слабые вспышки света, необходимо полностью избавиться от всего возможного излучения как внутри, так и снаружи детектора, иначе детектор будет «светиться» сам по себе.
Первоначально планировалось использовать борсодержащую жидкость в качестве сцинтиллятора и, в том числе, регистрировать «борные» нейтрино, испускаемые в результате реакции распада бора-8 на Солнце.
Отсюда и название Borexino: BorEx — «борный эксперимент».
Первый амбициозный проект детектора предполагал использование 50 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора в качестве мишени для нейтрино.
Поскольку реализация такого проекта крайне трудоемка, было решено остановить свой выбор на детекторе меньшей массы.
Сегодня в установке находится всего 300 тонн жидкого сцинтиллятора, поэтому в названии эксперимента появился уменьшительный суффикс «-ино».
Позже от использования довольно опасной жидкости с бором решили отказаться и перешли на использование в качестве сцинтиллятора псевдокумола (для химиков: 1,2,4-триметилбензол, молекула, подобная по строению обычному бензину), но название эксперимент уже застопорился, и они его не изменили.
Основной целью эксперимента оставалась регистрация солнечных моноэнергетических нейтрино из реакции на бериллий (бериллиевые нейтрино).
Для реализации эксперимента необходима предельно чистая среда, практически свободная от каких-либо радиоактивных примесей.
Ожидаемое количество нейтринных событий составляет всего 50 событий в день на 100 тонн мишени.
Для сравнения, в обычной питьевой воде радиоактивность дает до 1 распада в секунду на литр.
В пересчете на 100 тонн это будет около 100 миллиардов событий в день.
Таким образом, обычная питьевая вода, которую никто бы не назвал радиоактивной, является с точки зрения эксперимента Борексино крайне радиоактивной средой.
На момент предложения проекта детектора было неизвестно, удастся ли достичь необходимой степени очистки сцинтиллятора.
В 1995 году был выпущен четырехтонный прототип детектора CTF, продемонстрировавший принципиальную возможность очистки сцинтиллятора и создания более крупной установки.
CTF использовался до 2011 года как сверхчувствительный прибор для проверки уровня радиоактивности в жидком сцинтилляторе.
Детектор Borexino, запущенный в 2007 году, работает до сих пор.
Период от замысла до реализации долгий, но идея тоже была сложной.
В результате в ходе его реализации удалось сделать гораздо больше, чем планировалось изначально.
Олег Смирнов, старший научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем им.
В.
П.
Джелепова ОИЯИ Вместе со Смирновым Олегом Юрьевичем разберемся, как работает детектор Борексино.
Сказочный «сундук» — это огромный горный массив Гран-Сассо в Италии, где в 1982 году параллельно со строительством автомобильного тоннеля началось строительство крупнейшей в мире подземной лаборатории.
Он предназначался для физических экспериментов, требовавших серьезной защиты от космических лучей.
Детектор Борексино расположен в одном из трех залов лаборатории Гран-Сассо.
Толщина породы более одного километра защищает детектор от потоков космических частиц и не является источником излучения, как, например, гранит. Слой высокоочищенной воды и псевдокумоловый буфер в детекторе служат дополнительной защитой от гамма-излучения и нейтронов окружающей среды и материалов детектора.
Все элементы конструкции проверены на радиоактивность; по возможности выбирались материалы с минимальной радиоактивностью.
Общий принцип, реализованный в детекторе: чем ближе к центру, тем чище материалы.
В воду погружена стальная сфера, на которой установлены 2200 фотоумножителей, просматривающих сцинтиллятор, заключенный в нейлоновую сферу.
Анализируя времена прихода сигналов от отдельных фотоумножителей, можно определить точку взаимодействия в детекторе.
Эта информация позволяет использовать внешний слой сцинтиллятора в качестве защиты от радиоактивности, пусть и незначительной по сравнению с используемым в быту нейлоном, но тем не менее присутствующей в сумке.
В конечном итоге для анализа данных используется только участок радиусом 3 метра и массой около 100 тонн; остальная часть конструкции предназначена для обеспечения защиты от различных видов радиоактивности.
Можно смело сказать, что центральная часть детектора Борексино — самое «чистое» место на Земле с точки зрения радиоактивности.
Фотосенсоры (фотоумножители) детектора Борексино на внутренней поверхности металлического шара.
Перед каждым фотоумножителем установлен концентратор света в виде конуса.
Открытая часть концентратора имеет диаметр 50 см.
Усеченные желтые цилиндры защищают устройства от магнитного поля Земли.
Авторские права: коллаборация Borexino. Такая конструкция детектора гарантирует, что только нейтрино с невероятной проникающей способностью достигнут рабочего объема сцинтиллятора через слои защиты.
Это означает, что можно проводить высокоточные измерения потоков нейтрино и изучать другие редкие процессы.
Чего удалось добиться за годы экспериментов? Физики изучили поток «бериллиевых» нейтрино от Солнца и исследовали сезонные и суточные вариации потоков нейтрино.
Сезонные изменения потока нейтрино возникают на разных расстояниях от Солнца зимой и летом и хорошо видны в данных Borexino, подтверждая солнечное происхождение сигнала.
Суточные вариации потока могли быть связаны с прохождением нейтрино через Землю в ночное время, но они не наблюдались, как должно было бы быть в соответствии с современными данными по физике нейтрино.
Оба измерения были включены в исходную программу.
Помимо программы был проведен ряд измерений, в том числе определение потоков практически всех нейтрино из цепочки pp-реакций, включая «борные» нейтрино.
Впервые мы «увидели» нейтрино от pp-реакции, альтернативного начала реакций pp-цепи.
Мы проверили стабильность электронов.
Мы получили сильные ограничения на допустимый магнитный момент солнечных нейтрино.
Были изучены и другие редкие процессы, например, впервые подтверждено излучение антинейтрино земными породами (геонейтрино).
Данные исследований указали на более высокую правдоподобность модели Солнца с высокой концентрацией элементов тяжелее гелия по сравнению с альтернативной моделью, что является важным шагом в изучении вопроса о химическом составе Солнца, или так называемой « солнечная металличность» (астрофизики называют элементы тяжелее гелия «металлами»).
И, наконец, ученые измерили поток нейтрино углеродно-азотного цикла.
В 2020 году в Журнал о природе Были представлены результаты этих измерений.
Они не могли остаться незамеченными для научного сообщества, и присуждение премии является закономерным результатом исследований.
Олег Юрьевич также рассказал о роли группы ОИЯИ в эксперименте.
«Когда эксперимент только начинался, в зоне ответственности дубненских физиков были фотоумножители и система сбора данных для прототипа детектора.
Через руки наших тестеров прошло каждое из 2200 устройств.
Проведена большая работа: в Гран-Сассо оборудована «темная комната» для тестирования фотоумножителей, изучены ТТХ этих устройств, пояснил он.
— Во время работы над детектором CTF наши учёные переключились на физические проблемы: дубненская группа подготовила ряд статей по результатам поиска редких процессов в данных CTF. После запуска детектора «Борексино» группа ЛЯП внесла значительный вклад в решение основной задачи эксперимента: выделение взаимодействий бериллиевых нейтрино из потока данных.
Кроме того, наши ученые принимали активное участие и в других работах по анализу данных, прежде всего в измерении потока pp-нейтрино и в поиске редких процессов, в том числе распада электронов и взаимодействий, обусловленных магнитным моментом нейтрино.
Работа по анализу данных продолжается.
Планируется улучшить ряд результатов по всему набору доступных данных».
Внешний вид извещателя после установки теплоизоляции.
Авторские права: коллаборация Borexino. Что ждет Борексино в будущем? Работа детектора должна завершиться в обозримом будущем.
Одна из причин — выступления местных «зеленых» групп, которые считают эксперимент потенциально опасным для окружающей среды из-за токсичности использованного жидкого сцинтиллятора.
Они даже боятся радиации, хотя именно в этом отношении детектор безопасен.
Детектор планируют «отключить» 1 сентября 2021 года, хотя пандемия еще может внести свои коррективы: сроки его демонтажа неоднократно переносились.
Остановка детектора не означает окончания эксперимента: уже собранные и собираемые сейчас данные будут обработаны в течение следующих лет. Это означает, что ученых ждут новые результаты и новые выводы.
Коллаборация BOREXINO объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, России, Франции и Польши и насчитывает около 100 участников.
Группа из Лаборатории ядерных проблем им.
В.
П.
Джелепова ОИЯИ, одна из старейших в коллаборации, принимает участие в эксперименте с начала проекта в 1991 году.
Подробнее о БОРЕКСИНО на сайте Лаборатории Джелепова.
Теги: #Популярная наука #физика #Наука #нейтрино #Борексино #ОИЯИ
-
Производство Жести
19 Oct, 24 -
Самая Простая Программа Для Чтения Rss
19 Oct, 24 -
Я Скучаю По Советской Литературе
19 Oct, 24 -
Простое Доказательство Наличия Лампы Тетрис
19 Oct, 24
