Нейтринный телескоп «Супер-Камиоканде»

В это трудно поверить, но на этом изображении — Солнце. Согласитесь, непривычный вид. Да и масштаб обозначен странный: 90°. На самом деле Солнце здесь — это маленькая черная окружность в центре, а всё, что вокруг, — это его излучение. Все эти странности возникли из-за того, что эта «фотография» сделана не обычным телескопом, который фиксирует электромагнитные волны какого-либо диапазона, а нейтринным телескопом «Супер-Камиоканде» (Super-Kamiokande).

Этот прибор больше напоминает комплекс дорогостоящих декораций для съемок фантастического фильма, нежели научный эксперимент. Огромная конструкция, зарытая на километровой глубине в окрестностях Токио, обошлась в сумму около $100 млн. Фактически комплекс представляет из себя огромный 40-метровый цилиндрический бассейн со специально очищенной водой (которой в нем порядка 50 000 тонн), обставленный со всех сторон 13 000 фотоумножителей.

Вид на детектор Super-Kamiokande изнутри во время технических работ. Вода спущена, и видны фотоумножители, закрепленные на стенках детектора. Фото с сайта imgur.com

Солнечные нейтрино, которые спокойно проходят сквозь земную породу, все-таки изредка взаимодействуют в резервуаре с электронами молекул воды, ускоряя их до скоростей выше скорости света в воде (это, конечно, меньше скорости света в вакууме). Такое «сверхсветовое» движение электронов порождает так называемое черенковское излучение, которые и ловят фотоумножители.

На рисунке ниже показано такое событие. Каждая яркая точка — это сработавший фотоумножитель в бассейне. По ним можно примерно определить, с какой стороны прилетело нейтрино, и в итоге, используя данные многих событий, построить картинку, подобную самой верхней. Сейчас, конечно, точность определения направления оставляет желать лучшего. Однако в будущем если мы сможем разрешать направление с точностью лучше нескольких угловых минут, то можно будет впервые напрямую «увидеть» ядро Солнца: область, составляющую всего 1/10 от всего размера Солнца. В ней, однако, производится 90% энергии из ядерных реакций, и, соответственно, оттуда происходит большая часть нейтрино.

Детектор Super-Kamiokande зафиксировал последствия столкновения нейтрино с веществом. Яркие точки на этом изображении — фотоумножители, поймавшие расходящееся конусом от точки столкновения черенковское излучение. Изображение с сайта caitlinsikora.com

В ноябре 2001 года на Супер-Камиоканде произошла катастрофа, остановившая его работу на 5 долгих лет. Поверхности фотоумножителей чистятся вручную, и для того, чтобы достать до самых нижних, инженерам приходилось полностью сливать воду и ходить по поверхности на специальных мягких подкладках, распределяющих вес. Во время такой плановой очистки, видимо, на одном из нижних фотоумножителей появилась незаметная микротрещина. Когда после окончания чистки начали заливать воду, в какой-то момент стекло не выдержало растущего давления и взорвалось. Ударная волна, распространяясь по воде, вызвала цепную реакцию, и почти 6600 фотоумножительных трубок (стоимостью $3000 каждая) были навсегда утеряны. Частично ситуацию спасло то, что в момент взрыва бассейн был заполнен не полностью, и ударная волна повредила только те приборы, которые были под водой.

Несмотря на все трудности, с помощью Супер-Камиоканде ученые смогли впервые показать, что солнечные нейтрино действительно меняют свой аромат, и происходят так называемые нейтринные осцилляции. Дело в том, что в Солнце в результате ядерных реакций производятся электронные нейтрино. Так как мы примерно знаем, сколько их там производится, мы можем оценить поток нейтрино на Земле. Еще с начала 1960-х годов было известно, что этот поток примерно в три раза меньше ожидаемого. На рубеже веков удалось показать, что на пути от Солнца к нам примерно 2/3 электронных нейтрино осциллируют в нейтрино других ароматов. Это является непрямым доказательством существования массы у нейтрино, и за этот результат руководителям двух крупных нейтринных экспериментов Такааки Кадзите («Супер-Камиоканде») и Артуру МакДональду (нейтринная обсерватория в Садбери) вручили Нобелевскую премию по физике в 2015 году.

См. также:
1) Получены первые намеки на эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна при движении нейтрино сквозь Землю, «Элементы», 03.04.2014.
2) Нейтринная астрофизика делает первые шаги, «Элементы», 20.11.2015.
3) Алексей Левин. Частица-призрак: нейтрино, «Популярная механика» №3, 2010.

Айк Акопян