Япония одобрила строительство крупнейшего детектора нейтрино

Комитет правительства Японии окончательно одобрил выделение денег на строительство Hyper-Kamiokande — крупнейшей нейтринной обсерватории. Рабочее тело детектора будет состоять из 260 тысяч тонн сверхчистой воды, что в пять раз больше, чем у существующей сегодня установки Super-Kamiokande. Помимо изучения нейтрино, одной из основных целей нового прибора станет поиск распада протона, пишет журнал Nature.

Нейтрино — это самые легкие частицы Стандартной модели с ненулевой массой. Они относятся к классу лептонов и, как и другие его представители, существуют в трех видах (поколениях). Нейтрино крайне трудно регистрировать, так как они участвуют лишь в слабом и гравитационном взаимодействиях. Однако из-за малой массы фактически лишь некоторые ядерные реакции позволяют их зафиксировать. Вместе с тем,  физики возлагают большие надежды на исследования нейтрино в плане продвижения в фундаментальном понимании природы, так как некоторые обнаруженные свойства этих частиц не предсказывались теоретиками.

В мире существует немало нейтринных обсерваторий. Как правило, они устроены следующим образом: берется рабочее тело большого объема и высокой однородности, а многочисленные окружающие его детекторы (фотоумножители) фиксируют следы редких взаимодействий нейтрино с ядрами. В качестве рабочего тела может выступать лед, вода (как в естественных, так и в искусственных резервуарах), а также другие вещества, такие как аргон или ксенон. На данный момент крупнейшей нейтринной обсерваторией является IceCube на южном полюсе, которая использует в качестве рабочего тела кубический километр природного льда.

13 декабря комитет правительства Японии одобрил проект строительства новой установки Hyper-Kamiokande на территории государства. Япония давно активно участвует в исследованиях нейтрино: в стране работает установка Super-Kamiokande, а одним из получателей Нобелевской премии по физике «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу» в 2015 году стал японец Такааки Кадзита.

Правительство еще официально не объявляло о выделении денег, но опрошенные журналом Nature ученые подтвердили, что согласовано выделение первой суммы в размере 3,5 миллиарда йен (примерно 32 миллиона долларов). Эти деньги пойдут на подготовку к строительству, начало которого намечено на апрель 2020 года. Решение должно быть поддержано парламентом, который рассмотрит этот вопрос в течение ближайшего месяца.

Hyper-Kamiokande расположится под землей рядом с шахтой Камиока, что находится недалеко от города Хида. Подземное сооружение будет в несколько раз больше Super-Kamiokande, что позволит регистрировать намного больше событий. К источникам нейтрино, которые сможет зафиксировать детектор, относятся Солнце, космические лучи, взрывы сверхновых, квазары и специально направленные пучки от ускорителей частиц и ядерных реакторов.

Отдельной научной задачей для Hyper-Kamiokande  станет поиск распада протона. Согласно Стандартной модели физики частиц протон — стабильная частица, но во многих обобщениях этой концепции протон может распадаться. В частности, многие варианты Теории великого объединения (одновременно описывающей ядерные силы и электромагнетизм) должны существовать магнитные монополи, которые будут катализировать распад протонов. Соответствующий процесс впервые описал российский физик Валерий Рубаков. На данный момент распад протона не зарегистрирован, есть только верхние ограничения его жизни, которые превышают текущий возраст Вселенной.

Суммарная стоимость строительства Hyper-Kamiokande оценивается в 64,9 миллиарда йен (примерно 600 миллионов долларов), а еще примерно 7,3 миллиарда йен понадобится на модернизацию расположенного в 300 километрах ускорителя частиц  J-PARC — эта установка используется в качестве искусственного источника нейтрино. Япония профинансирует три четверти проекта, а оставшуюся часть возьмут на себя другие страны, окончательный список которых еще не сформирован.

Hyper-Kamiokande станет одной из трех нейтринных обсерваторий нового поколения, которые начнут работать в 2020-х. Также в 2025 году ожидается запуск эксперимента DUNE в США, а в 2021 — JUNO в Китае.

Мы подробно писали о работе антарктической нейтринной обсерватории IceCube в материале «Ледяное нейтрино». Недавно около российского поселка Нейтрино заработал новый эксперимент по поиску стерильных нейтрино — гипотетического еще не открытого вида частиц.