Крупный физический эксперимент в Италии могут скоро закрыть
В конце января стало известно о планах закрыть один из крупнейших в мире нейтринных проектов — эксперимент Borexino, который идет в лаборатории под горным массивом Гран-Сассо в Италии. Не исключено, что одна из причин прекращения эксперимента — давление властей, экоактивистов и местных жителей, которые считают, что проект создает угрозу для окружающей среды. N + 1 рассказывает историю крупнейшей в мире подземной лаборатории, целях и результатах эксперимента Borexino и разбирается в сути претензий экологов к лаборатории под горой.
«В ближайшем к лаборатории городке Терамо регулярно проходят акции протеста экологов, которые требуют закрыть лабораторию. Итальянские коллеги как-то раз видели прямо-таки чеканную формулировку одного из лозунгов: “Niente neutrini ai nostri bambini” — “Нашим детям не нужны нейтрино”, — говорит Олег Смирнов. — В каком-то смысле, они добились своего. Теперь у нас запрещено использовать опасные, с точки зрения экологов, жидкости и работа ряда экспериментов, включая Borexino, сильно осложнена либо становится невозможной».
Смирнов, сотрудник лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований, участвует в нейтринном эксперименте Borexino почти 30 лет — с 1991 года. Это один из крупнейших проектов в области изучения солнечных нейтрино, и он оказался невероятно плодотворным. Благодаря ему физики, например, смогли выяснить, как именно протекают термоядерные реакции на Солнце, подтвердить механизмы осцилляций нейтрино (за что в 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике).
Однако вскоре история Borexino может закончиться: по данным издания Physics World, два месяца назад, в ноябре 2018 года, был подписан контракт между Национальным институтом ядерной физики (INFN) и строительной компанией Ramboll, предусматривающий проработку планов по демонтажу гигантского детектора. В конце января правительство региона Абруццо, где находится Borexino, должно было утвердить постановление, согласно которому этот демонтаж должен завершиться до конца 2019 года. О судьбе постановления пока ничего не сообщалось.
Вместе с тем, координатор проекта Borexino Марко Паллавичини (Marco Pallavicini) сказал в беседе с N + 1, что решение о закрытии эксперимента не связано с протестами экологов. Вместе с тем, он подтвердил, что проработка планов демонтажа Borexino действительно начата, и это решение приветствуют местные власти, поскольку закрытие эксперимента выводит всю Национальную лабораторию при Гран-Сассо (LNGS), где проходят эксперименты, из под санкций, связанных с европейской Директивой Севезо — документом, направленным на предотвращение крупных техногенных аварий.
Физики надеются, что эксперимент продлится до конца 2020 года. Это дало бы ученым возможность пронаблюдать солнечные нейтрино, которые продуцирует углеродно-азотный цикл (или CNO-цикл) — один из двух типов термоядерных реакций в звездах, теоретически предсказанный и проработанный другим нобелевским лауреатом, Гансом Бете, но до сих пор не подтвержденный экспериментально. Для Солнца этот тип реакции не является доминирующим, но в немного более массивных звездах (всего в полтора раза) энергия в основном вырабатывается в углеродно-азотном цикле. Но если установка прекратит работу в 2019 году, шансов получить эти данные практически не останется.
Попробуем рассказать эту историю с самого начала.
В 1960-х годах в Италии начался экономический бум и, как следствие, активное развитие инфраструктуры (именно тогда, например, был построен обрушившийся недавно в Генуе мост Моранди). Транспортные магистрали — больной вопрос в стране, разрезанной цепью Апеннин и зажатой между двумя морями. Хотя Апеннины — далеко не самые высокие горы на Земле, но и они вполне способны осложнить жизнь и постройку дорог.
Горный массив Гран-Сассо («Большой камень») — самая высокая часть Апеннин в центре полуострова, на широте Рима, его высота в самой высокой точке составляет 2 912 метра над уровнем моря. Поэтому, несмотря на южные широты, зимой там лежит снег и работают лыжные курорты. Но это сегодня, а до середины XX века регион Абруццо, где находится Гран-Сассо, был одним из самых бедных в Италии: значительную часть его экономики составлял выпас овец, а асфальтовые дороги можно было перечесть по пальцам. Кроме того, Гран-Сассо отрезáл Рим от Адриатического побережья.
В 60-е годы решено было проложить тоннель от столицы региона города Л’Акуила до городка Терамо на адриатической стороне Апеннин. Тогдашний директор INFN Антонино Дзикики (Antonino Zichichi) любит подчеркивать, что лично пролоббировал строительство автомобильного тоннеля именно в этом месте и именно в этом направлении, идеально подходящем для «ловли» нейтрино из ЦЕРНа, но верить ему или нет, мы не знаем. Впрочем, если и не сами физики добились, чтобы тоннель был проложен именно так, то они смогли с большим успехом им воспользоваться.
В 1982 году в тоннеле началось строительство специального ответвления для лаборатории, которое обошлось бюджету в 77 миллиардов лир (около 100 миллионов евро в нынешних ценах). В 1989 году начались первые крупномасштабные эксперименты. Сегодня LNGS — самая крупная в мире подземная лаборатория, и в экспериментах здесь участвуют около 1100 ученых из 29 стран мира.
Главное преимущество этого подземелья — почти полная изоляция от космической и земной радиации. «С точки зрения радиоактивности это, наверное, самое чистое место во Вселенной», — говорит Смирнов. Двухкилометровая горная толща Гран-Сассо не пропускает ни частицы, ни излучение, и при этом сама не является источником радиации, поскольку состоит в основном из известняка, не дающего, в отличие от гранита, собственного фонового излучения.
Это уникальное «тихое место» идеально подходит для изучения нейтрино — частицы, которая легко проникает сквозь любые стены. Каждую секунду через тело всякого человека на Земле проходит, в среднем, 1014 нейтрино, испущенных Солнцем. Таким образом, в лабораторию под горой поступает очищенный от «мусора» поток нейтрино, а дело физиков — «ловить» и изучать его. Подземные детекторы, возможно, смогут зафиксировать и частицы темной материи. Природа их пока точно неизвестна, но поиск, так или иначе, необходимо вести там, где нет фона.
Лаборатория под Гран-Сассо — не единственная, есть и другие центры изучения нейтрино: американский IceСube под антарктическими льдами, российская Баксанская нейтринная обсерватория в горе Андырчи в Кабардино-Балкарии и совместный проект ИЯИ РАН и ОИЯИ — Байкальский нейтринный телескоп. Но у Гран-Сассо есть масса преимуществ, и не последнее из них — логистическое. Грузовики с оборудованием могут заезжать прямо в экспериментальные залы, не нужно ничего опускать в вертикальную шахту или везти в Сибирь или дажде в Антарктиду. Это сильно облегчило как само строительство, так и последующие этапы модернизации и монтажа научного оборудования.
За время существования LNGS там успели поработать лучшие представители фундаментальной физики, включая нобелевских лауреатов Карло Руббиа и Барри Бэриша, и сегодня список экспериментов в ней занимает около 20 строк. В их числе, например, проекты CUORE, DAMA, GERDA, XENON, регулярно попадающие в новости на N + 1.
Borexino — один из крупнейших экспериментов в Гран-Сассо, и его главная задача — изучение солнечных нейтрино. Кстати, не все его «соседи» изучают именно солнечные нейтрино. Например, ICARUS и OPERA работали с пучком нейтрино, который приходил к ним из ЦЕРНа с ускорителя SPS с расстояния в 730 километров (OPERA в 2010 году случайно «открыла», а потом «закрыла» нейтрино, движущиеся со сверхсветовой скоростью).
Детектор OPERA регистрировал нейтрино с помощью свинцовых мишеней, ICARUS — в жидком аргоне. Оба эксперимента изучали нейтринные осцилляции — переход нейтрино из одного типа в другой. Гигантская масса — 600 тонн аргона — нужна была, чтобы уловить редко происходящие взаимодействия нейтрино с материей. Главная их задача заключалась в том, чтобы отследить нейтринные осцилляции, «превращения» мюонных нейтрино, стартовавших в ЦЕРНе, в тау-нейтрино.
Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута бежавшим в Советский Союз итальянским физиком Бруно Понтекорво в 1957 году, а Такааки Кадзита и Артур Макдональд в 2015 году получили Нобелевскую премию по физике за ее экспериментальное подтверждение.
Наличие нейтринных осцилляций на сегодня рассматривается как решение проблемы солнечных нейтрино. Дело в том, что количество электронных нейтрино от Солнца, регистрируемых на Земле (эксперименты проводятся с конца 1960-х годов) в три раза меньше, чем предсказывают модели, описывающие проходящие в ядре Солнца ядерные реакции. То есть либо мы неправильно понимаем происходящее на Солнце (это предположение было практически отвергнуто за годы исследований), либо нейтрино куда-то исчезают. И здесь на помощь приходят нейтринные осцилляции: электронные нейтрино Солнца по пути переходят в какой-то другой тип, который не регистрируется.
Вдобавок на рубеже 1990-х годов появились сомнения в существовании одного из типов солнечных реакций — протон-протонных реакций с участием бериллия. Для точного измерения потока электронных нейтрино, возникающих на Солнце в реакциях с участием на бериллии, и был создан Borexino.
Эта установка смонтирована внутри цилиндра диаметром 16 метров с круглым куполом наверху. Внутри находится своеобразная матрешка, погруженная в 2400 тонн сверхчистой воды — вода служит еще одним экраном от фоновой радиации. Внутри резервуара с водой находится стальная сфера, на которой закреплены 2200 фотодетекторов, электронных «глаз» детектора. Внутри сферы — 278 тонн жидкого сцинтиллятора — псевдокумола (1,2,4-триметилбензола).
Это сердце эксперимента: когда нейтрино «встречаются» с электронами в сцинтилляторе, часть переданной энергии излучается в виде фотонов, которые регистрируют фотодетекторы. Количество фотонов и картина времен прихода импульсов позволяют определить энергию и место столкновения.
Характеристики Borexino позволяет ему «видеть» нейтрино с очень низкой энергией. Первоначальной целью эксперимента было измерение потока бериллиевых нейтрино. С точки зрения физики Солнца это позволяет лучше понять процессы в нем, с точки зрения физики нейтрино — попытаться разрешить описанный выше парадокс. Уже после запуска набора данных ученые поняли, что созданный прибор позволяет значительно расширить программу исследований.
В частности, Borexino также поймал антинейтрино, исходящие из глубин Земли (их называют геонейтрино). Это говорит о том, что в тысячах километрах под земной корой находятся радиоактивные элементы вроде урана, тория и калия. Они распадаются с выделением огромной энергии, которая сдвигает континенты и приводит к вулканической активности. Изучение геонейтрино — единственный путь, который позволяет разобраться, что происходит в недрах Земли.
Набор данных на установке начался в 2007 году. Детектор ловил примерно по 100 событий в день, за прошедшие годы ученым удалось получить полный энергетический спектр солнечных нейтрино в диапазоне от 300 до 800 килоэлектронвольт. В результате группа Borexino выполнила самые точные измерения спектра солнечных нейтрино и подтвердила, что 99 процентов солнечной энергии производится в реакциях протон-протонной цепочки, а также показала, что гипотеза высокой солнечной металличности подтверждается со статистической значимостью около 2 сигма.
Дело в том, что бóльшая часть энергии, генерируемой Солнцем, приходится на реакции протон-протонной цепочки, в ходе которых ядра водорода превращаются в ядра гелия (еще примерно два процента энергии можно объяснить реакциями CNO-цикла). Как правило, реакция начинается со слияния двух протонов и последующего бета-распада дипротона, в результате которого образуются ядро дейтерия, позитрон и электронное нейтрино. Гораздо реже — примерно в 0,25 процентах случаев — дейтрон и нейтрино рождаются при столкновении двух протонов и электрона (pep-реакция). Затем ядро дейтерия поглощает еще один протон, превращается в ядро гелия-3 и испускает фотон. Напрямую эти реакции увидеть нельзя, а нейтрино, рождающиеся в этих реакциях, не удавалось поймать в достаточных количествах.
Установка Borexino смогла набрать достаточно большую статистику, чтобы, во-первых, измерить нейтрино от всех реакций протон-протонного цикла; во-вторых, впервые измерить поток «бериллиевых» нейтрино; в-третьих, со статистической значимостью около 5 сигма подтвердить, что на Солнце идут pep-реакции (в результате которых сливаются два протона и электрон); и, в-четвертых, уточнить скорость «борной» реакции из канала pepIII и других процессов.
Эксперимент помог приблизиться к решению проблемы солнечной металличности. Дело в том, что независимые измерения химического состава Солнца дают разные концентрации элементов тяжелее гелия — а именно, спектроскопические наблюдения дают концентрацию примерно на 35 процентов ниже, чем оценки на основе гелиосейсмологических исследований. Используя найденные соотношения вероятностей реакций, ученые показали, что со статистической значимостью около 2 сигма подтверждается гипотеза высокой солнечной «металличности».
На сайте проекта говорится, что в ближайшие три-четыре года Borexino предстоит измерить еще не измеренные потоки нейтрино от термоядерных реакций на Солнце, а также набрать более полную статистику по геонейтрино, чтобы более корректно оценить энергию процессов ядерного распада в недрах Земли.
Всего в эксперименте участвуют около 80 человек. Большая часть из них — сотрудники INFN и итальянских университетов. Иностранцы представляют Германию, Францию, Польшу, США и Россию — это ОИЯИ, Курчатовский институт и МИФИ.
Сегодняшние проблемы Borexino были заложены еще в 1960-е годы, когда проектировался тоннель. Проект был сделан с ошибками, без учета гидрологических условий, и поэтому в процессе прокладки туннеля было вскрыто подземное озеро. С тех пор там постоянно работают насосы, чтобы откачивать подземную воду, а жители окрестных городов стали опасаться за качество питьевой воды.
Borexino попал в центр внимания еще до полноценного запуска. В 2002 году исследователи случайно допустили утечку 50 литров псевдокумола, попавшего в местную речку. Тогда суд города Терамо постановил опечатать экспериментальный зал, и эксперимент остановился на три года. Власти назначили специального комиссара для наблюдений за безопасностью в лаборатории.
В конце 2017 года вспыхнул новый скандал, спровоцированный телепередачей “Le Iene” («Гиены»). В тот момент на установке Borexino пытались запустить новый эксперимент SOX, предполагавший установку по соседству с детектором источника антинейтрино на основе церия. Его должны были изготовить на заводе «Маяк» в России — по одной из версий, именно в процессе производства этого источника на «Маяке» произошел выброс рутения.
«Гиены» выпустили материал, в котором подчеркивалось российское происхождение изотопа, потенциальный ущерб от него приравнивался чуть ли не к аварии на атомной станции, звучали и другие алармистские и необоснованные претензии к обеспечению безопасности эксперимента Borexino. В 2017 году Италия находилась на пике предвыборной кампании, в ходе которой особенно активными были две популистские партии — движение «5 звезд» и «Лига Севера». Возможно, это одна из причин, обеспечивших истории больший резонанс. Сам эксперимент SOX не состоялся, но по факту не из-за протестов экологов, а потому что «Маяк» не справился со сроками поставки обещанного источника излучения. Об этом стало известно в феврале 2018 года. «Маяк», тем не менее, не отказывался от обязательств и готов был поставить источник с задержкой, но INFN воспользовался формальным предлогом для разрыва контракта, закрыв вопрос с экологами.
Ведущие итальянские ученые и СМИ (включая Focus — большой научно-популярный журнал) выступили с разъяснениями о безопасности эксперимента и осудили алармизм, раздутый программой. Тем не менее, в конце сентября 2018 года Borexino и его соседи вновь оказались под угрозой закрытия: прокуратура Терамо выпустила 1000-страничный доклад, в котором обвинила руководство LNGS и INFN в том, что они не соблюдают правила безопасности и не ликвидировали недостатки, обнаруженные еще в 2002 году. Прокуратура занялась расследованием после того, как на эксперименте CUPID в августе 2016 года произошла небольшая утечка растворителя — дихлорметана, используемого для очистки кристаллов.
Лицо протеста — орнитолог и эко-активист Аугусто де Санктис. Он представляет организацию Forum H2O и борется за чистую воду, но в целом его можно охарактеризовать как радикального активиста «против всего». Он хочет закрытия Borexino, чтобы защитить грунтовые воды под массивом Гран-Сассо, по этим же причинам он борется против строительства третьего тоннеля через массив — крайне необходимого с точки зрения обеспечения безопасности.
Разговор о третьем тоннеле начался после трагических событий в тоннеле под Монбланом — без нового тоннеля в случае пожара у сотрудников лаборатории мало шансов спастись. Де Санктис также выступает против строительства новых линий высокоскоростных поездов, новых дорог, газопроводов, требует сокращения использования невозобновляемых ресурсов, введения сурового углеродного налога — в интервью с ним его позиция была охарактеризована с помощью приставки «ультра».
Похожих же взглядов, пусть и не в столь радикальной форме, придерживается заметное количество консервативных итальянцев. Лозунги экоактивистов подхватывают популистские партии, вошедшие в правительство, и поэтому вызывают гораздо больший резонанс, чем десять лет назад.
Окончательно судьба Borexino еще не решена. Даже сам процесс остановки и демонтажа гигантского детектора может занять годы. «Мы набираем данные 12 лет, в принципе, это хорошее время жизни для эксперимента, мы сделали очень многое. Но остались задачи, которые мы могли бы решить. Беда не в том, что закрывают Borexino, беда в том, что под запрет попадает один из типов детекторов — жидкий сцинтиллятор, а это уже настоящая опасность для науки», — говорит Смирнов.
Александра Борисова