Детектор ProtoDUNE увидел первые треки частиц

Прототип детектора нейтрино ProtoDUNE, заполненный 800 тоннами жидкого аргона, зарегистрировал первые треки частиц, сообщает пресс-релиз CERN. Теперь ученые могут приступать к калибровке детектора, что позволит отработать технологии перед постройкой основного детектора DUNE, масса рабочего вещества которого составит более 40 тысяч тонн.

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, а потому исследовать их в прямых экспериментах очень сложно. Дело в том, что физики-экспериментаторы умеют изучать частицы только одним способом — сталкивать их между собой, а затем измерять параметры образовавшихся «осколков» и восстанавливать по ним картину процессов, которые протекали при столкновении. Чем больше таких столкновений произошло, тем меньше статистическая погрешность измерений и тем меньше вероятность, что какой-нибудь редкий процесс не успел реализоваться — следовательно, тем лучше ученые понимают свойства частиц. К сожалению, низкая вероятность взаимодействия нейтрино мешает набрать в экспериментах большую статистику. Чтобы решить эту проблему, приходится либо увеличивать время наблюдений (в результате чего эксперименты длятся по несколько лет), либо наращивать массу детектора (в настоящее время она достигает нескольких тысяч тонн), либо увеличивать поток нейтрино, которые просвечивают установку. Поэтому в настоящее время многие процессы с участием нейтрино — например, двойной безнейтринный бета-распад или осцилляции нейтрино — остаются сравнительно плохо исследованными.

Детектор нейтрино DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), сооружаемый Европейской организацией по ядерным исследованиям (CERN), должен решить часть этих проблем. Предполагается, что установка будет заполнена 70 тысячами тонн жидкого аргона (рабочая масса около 40 тысяч тонн), охлажденного до температуры порядка 90 кельвинов (−184°C). Когда нейтрино сталкивается с одним из ядер жидкого аргона, в нем выделяется тепло и рождаются заряженные частицы; каждое такое событие отслеживается, а по его характеру восстанавливаются параметры исходного нейтрино. Для удобства детектор будет разделен на четыре модуля примерно одинаковой массы. Кроме того, чтобы уменьшить фоновый сигнал космических лучей, «загрязняющий эфир» и мешающий отслеживать столкновения нейтрино с ядрами аргона, детектор сооружают в подземной лаборатории Сэнфдорда на глубине около 1500 метров. В 1300 километрах от детектора находится ускоритель PIP-II комплекса LBNF (Long-Baseline Neutrino Facility) Фермилаба, который производит большое число нейтрино — поэтому DUNE будет отслеживать не только случайно приходящие из космоса нейтрино, но и контролируемые пучки частиц. Ожидается, что в полную силу DUNE начнет работать в 2027 году, когда будет установлен последний его модуль.

Пока же ученые работают с прототипом детектора ProtoDUNE, который имеет гораздо меньшие размеры — масса его рабочего вещества составляет «всего» 800 тонн, — а в остальном он похож на «большой» детектор. ProtoDUNE начали собирать около двух лет назад — восемь недель ушло только на то, чтобы полностью заполнить его жидким аргоном. Теперь детектор наконец-то начал работать и записывать треки частиц, проходящих через его объем. В частности, физикам удалось увидеть космический мюон, который пролетел через аргон чуть меньше четырех метров, а потом распался. Теперь ученые могут приступать к калибровке и отладке детектора. Исследователи предполагают, что проверка техники займет несколько месяцев, после чего детектор сможет приступить к работе.

Ученые надеются, что детектор DUNE проверит, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино — предполагается, что такое отличие могло привести к наблюдаемой разнице между массами обычной и темной материи. Также детектор будет исследовать космические нейтрино, образующиеся при вспышках сверхновых звезд — это поможет лучше разобраться в процессах, которые сопровождают рождение нейтронных звезд или черных дыр. Кроме того, DUNE попытается зарегистрировать распад протона, который невозможен в Стандартной модели, но предсказывается некоторыми альтернативными теориями.

Интересно, что детектор DUNE — это первый проект CERN, который сооружается на территории США. Таким образом, детектор не только получит новые результаты из физики нейтрино, но и поможет укрепить связи между учеными. Суммарно в проекте участвует около тысячи ученых из 178 институтов и 132 стран (включая Россию).

В настоящее время в мире работает множество детекторов нейтрино, и некоторые из них имеют очень большой рабочий объем. Например, детектор NOvA, который состоит из нескольких сотен тысяч ячеек, заполненных жидким сцинтиллятором, весит более 14 тысяч тонн. А рабочий объем детектора IceCube, расположенного во льду около Южного полюса, превышает один кубический километр. Более того, в некоторых случаях ученым приходится использовать в качестве детектора весь объем Земли — настолько слабо нейтрино взаимодействуют с веществом.

Тем не менее, некоторые открытия в физике нейтрино связаны с небольшими детекторами, размеры которых сравнимы с размерами привычных для нас вещей. Например, в сентябре прошлого года группа COHERENT впервые увидела процесс когерентного упругого рассеяния — для этого оказалось достаточно детектора объемом с трехлитровую банку. А в июне этого года детектор CUPID-0 установил ограничение на период двойного безнейтринного бета-распада, сравнимое с результатами «больших» экспериментов, хотя его масса не превышала десяти килограмм.

Дмитрий Трунин