Наш сайт уже публиковал новости (09.06.04
, 14.06.04
) о ходе одного из уникальных экспериментов в области нейтринной астрофизики. В проекте по
созданию искусственного источника нейтрино на основе изотопа Ar-37 для калибровки галлий-
германиевого нейтринного телескопа Института ядерных исследований РАН участвовали несколько
крупных научных и научно-производственных организаций трёх стран (России, США и Японии).
Основные работы по проекту были закончены в феврале 2005 г., когда в последний раз была
измерена активность источника. (Всего таких измерений было 6, причём 5-ю независимыми методами).
Источник нейтрино Ar-37 был использован для измерения скорости захвата на металлическом галлии
нейтрино с энергией, близкой к основной линии солнечных 7Be-нейтрино (862 кэВ).
Полученные в эксперименте результаты оказались несколько неожиданными, поэтому их обработка и
осмысление потребовали ещё года напряжённой работы. Только во второй половине 2006 г. появились
публикации об эксперименте в русскоязычной научной прессе (две статьи
в 4-м выпуске журнала "Приборы и
техника эксперимента"). В начале текущего года почин был поддержан "Ядерной физикой": 2
публикации во 2-м выпуске
журнала ).
Однако наиболее общее и популярное описание эксперимента и полученных в нём результатов,
появилось в издательстве «Атом-пресса». Публикация за подписью ведущих специалистов участвовавших
в проекте организаций вышла в свет на первой полосе издания «Атом-наука», N 5 (740) от 08.02.2007.
Желающие могут ознакомиться с текстом этого материала здесь.
СОЗДАНИЕ ИСТОЧНИКА НЕЙТРИНО НА ОСНОВЕ АРГОНА-37, ПОЛУЧЕННОГО В РЕАКТОРЕ
БН-600, ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ГАЛЛИЙ-ГЕРМАНИЕВОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА
В октябре 2004 года в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) Института ядерных
исследований РАН был завершен эксперимент по калибровке галлий-германиевого нейтринного
телескопа с использованием искусственного источника нейтрино на основе радиоактивного изотопа
аргон-37.
Нейтринные исследования начались в 60-е годы прошлого столетия, когда в США в первых
измерениях, целью которых была проверка гипотезы термоядерной природы свечения звезд, на хлор-
аргоновом нейтринном телескопе был обнаружен дефицит солнечного нейтринного потока по сравнению
с расчетами на основе общепринятой Стандартной солнечной модели (ССМ). Это расхождение
результатов эксперимента и теории составило суть широко известной проблемы солнечных нейтрино,
которая не давала покоя физикам более 30-ти лет. Для обеспечения лидирующего положения
отечественных ученых в этой области исследований государством были выделены средства для создания
в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) подземного нейтринного телескопа с галлиевой мишенью,
чувствительной к солнечным нейтрино, поток которых жестко связан с излучаемой Солнцем энергией.
БНО находится на Северном Кавказе в ущелье реки Баксан, примерно в 25 километрах от подножия
горы Эльбрус. Лаборатория с галлий-германиевым нейтринным телескопом расположена глубоко под
землей в недрах горы Андырчи, куда ведут два 4-километровых тоннеля. Телескоп расположен под 2-
километровой толщей горных пород. Подземное размещение телескопа позволяет практически
исключить попадание в него любых космических частиц, кроме нейтрино, которые почти не
взаимодействуют с веществом и легко проходят сквозь земной шар.
Работа по извлечению облучённых сборок с мишенью из реактора, растворению таблеток оксида
кальция и помещению Ar-37 в ампулу источника потребовала почти двухнедельных совместных и
тщательно скоординированных усилий групп сотрудников ИРМ и Белоярской атомной станции. Перед
самыми майскими праздниками источник доставлен сначала на самолёте, а потом в сопровождении
специальных сил ГИБДД на машине в Баксанскую нейтринную обсерваторию. В 4 часа утра 30 мая
ампула с источником опущена в специально подготовленный реактор ГГНТ, содержащий 13 тонн
сверхчистого жидкого галлия. Так началась калибровка телескопа искусственным источником нейтрино
Ar-37.
Измерение интенсивности нейтринного излучения от Солнца возможно благодаря тому, что нейтрино
очень слабо, но все же взаимодействуют с некоторыми элементами. Так, при взаимодействии с галлием
за время экспозиции 30 суток в 50-ти тоннах галлия, находящегося в телескопе БНО, образуется около 15
атомов германия. Без преувеличения можно назвать выдающимся достижением то, что ученые создали
технологию выделения и регистрации этих атомов, и то, что они сумели достаточно точно предсказать
вероятность взаимодействия нейтрино с галлием. Однако для подтверждения теоретических оценок и их
уточнения требуется экспериментальная проверка эффективности галлиевого телескопа с
использованием искусственного источника нейтрино известной интенсивности.
Работы по созданию искусственного источника нейтрино проводились в рамках проекта МНТЦ, в
котором участвовали Институт ядерных исследований Российской академии наук (ведущая организация),
ОКБМ, ФЭИ, Белоярская АЭС, ИРМ. В качестве коллабо-рантов выступили отделы физики и астрономии
Пенсильванского университета и университета имени Вашингтона США и Научно-исследовательский
нейтринный центр университета Тохоку, Япония.
В основу проекта положена следующая идея. При облучении кальция в спектре быстрых нейтронов
происходит образование аргона-37, который в процессе радиоактивного распада испускает нейтрино с
энергией, соответствующей средней части спектра солнечных нейтрино. Путем измерения
ионизирующего излучения аргона-37, выделенного из кальция и заключенного в капсулу, можно с
высокой точностью определить и интенсивность нейтринного излучения, создаваемого таким
источником. При размещении источника внутри галлий-германиевого телескопа можно измерить
скорость регистрации нейтрино и определить таким образом его эффективность. Такая процедура была
названа калибровочным экспериментом.
После проведения экспериментальных и расчетных работ по определению возможности получения в
реакторе БН-600 аргона-37 необходимой активности в 1999 году было подготовлено «Предварительное
обоснование безопасности получения изотопа аргона-37 в реакторе БН-600», которое положило начало
практическим работам но созданию источника нейтрино. В 2001 году разработан технический проект
сборки реактора БН-600, содержащей оксид кальция.
В 2002-2003 гг. проводилось облучение в реакторе БН-600 двух экспериментальных сборок с
оксидом кальция. После облучения в реакторе в течение двух недель была проведена отработка
технологии изготовления источника, включающая разделку сборок на Белоярской АЭС, передачу ампул с
оксидом кальция в ИРМ, выделение в ИРМ аргона с использованием химических методов растворения
оксида кальция, закачку аргона в капсулу.
В 2003-2004 гг. в реакторе БН-600 были облучены 19 сборок с оксидом кальция. Для сохранения
максимально возможной активности аргона-37, имеющего период полураспада 35 дней, важно было
провести переработку облученных сборок и изготовить источник в максимально короткий срок.
Благодаря самоотверженной работе специалистов Белоярской АЭС и ИРМ на этом этапе был достигнут
результат: в конце апреля 2004 года, через две недели после остановки реактора, был изготовлен
источник нейтрино интенсивностью более 400 кКи.
29 апреля 2004 года специальным авиарейсом источник в защитном контейнере был доставлен в
аэропорт Минеральные Воды, откуда был перевезен на специально подготовленном грузовом автомобиле
в БНО. 30 апреля в 4 часа утра источник был помещен непосредственно в галлиевый телескоп для
проведения калибровочного эксперимента. Созданный источник обеспечил ноток нейтрино в галлиевом
телескопе, приблизительно в 50 раз превышающий поток солнечных нейтрино. К настоящему моменту
эксперименты с источником в БНО завершены и результаты обработаны. Выполненная работа получила
высокую оценку в Российской академии наук и Федеральном агентстве по атомной энергии.
Галлиевые солнечные эксперименты показали дефицит нейтрино от основных реакций, которые
определяют выделение энергии в Солнце, и таким образом твердо указали, что решение проблемы
солнечных нейтрино необходимо искать не в физике Солнца, а в физике нейтрино, т.е. физике
элементарных частиц.
Последнее десятилетие стало триумфом солнечных нейтринных исследований, приведших к
открытию фундаментального явления - нейтринные осцилляции - свойство нейтрино менять свой аромат.
Это говорит о существовании у нейтрино массы и рассматривается в настоящее время как бесспорное
указание на проявление новой физики. В настоящее время в мире идет интенсивное развитие
исследований фундаментальных свойств нейтрино и процессов, протекающих в центре Солнца,
результаты которых могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие человеческой
цивилизации. Тесное сотрудничество институтов Агентства по атомной энергии и Института ядерных
исследований Академии наук России вносит значительный вклад в эти исследования.
В. БАРСАНОВ, ИРМ,
Б. ВАСИЛЬЕВ, ФГУП «ОКБМ»,
В. ГАВРИН, ИЯИ РАН,
Н. ОШКАНОВ, БелАЭС,
Ю. ХОМЯКОВ, ГНЦ РФ-ФЭИ