Хаос. Нелинейная динамика

Участники эксперимента Borexino объявили о том, что им удалось зарегистрировать электронные антинейтрино, рожденные в результате распада радиоактивных изотопов в коре и мантии Земли.

Нейтрино - стабильные нейтральные частицы, слабо взаимодействующие с веществом, - изучаются уже достаточно давно. БСльшая часть проведенных опытов была направлена на регистрацию нейтрино, испущенных Солнцем или полученных в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов в атмосфере Земли. Обработав данные этих наблюдений, ученые сумели прояснить некоторые вопросы физики Солнца.

Нейтрино (точнее, электронные антинейтрино) рождаются и в недрах Земли в результате бета-распада изотопа 40K и некоторых нуклидов из цепей распада долгоживущих изотопов 238U и 232Th. Измерение потока таких геонейтрино может дать ответ на вопрос о том, как распределяются в объеме Земли радиоактивные элементы и насколько важную роль играют процессы их распада.

Регистрировать геонейтрино чрезвычайно трудно: детектор должен иметь огромный объем и находиться в лаборатории, хорошо защищенной от космического и другого фонового излучения. Необходимо также учитывать, что геонейтрино имеют меньшую энергию, чем солнечные и атмосферные; это еще усложняет эксперимент и вынуждает специалистов использовать для обнаружения частиц углеводороды. В объеме детектора электронное антинейтрино может взаимодействовать с протоном с образованием позитрона и нейтрона. Эти частицы, в свою очередь, участвуют в образовании гамма-частиц, которые и служат свидетельством регистрации геонейтрино.

Первое сообщение об обнаружении геонейтрино пришло в 2005 году. Данные, представленные коллаборацией KamLAND, были, однако, не слишком надежны, поскольку ученым пришлось выделять полезные события на фоне потока антинейтрино от расположенных поблизости японских и южнокорейских ядерных реакторов (проект KamLAND направлен именно на изучение реакторных антинейтрино).

Эксперимент Borexino был изначально ориентирован на регистрацию низкоэнергетичных солнечных нейтрино. Оборудование удалено на несколько сотен километров от реакторов и установлено в подземной Национальной лаборатории Гран-Сассо, защищенной слоем горных пород толщиной в полтора километра. Детектор имеет сложную структуру; в его центре находится нейлоновая сфера диаметром 4,25 м, удерживающая 278 т жидкого сцинтиллятора - псевдокумола с добавками дифенилоксазола. Этот объем ограждается от внешнего излучения 890 т раствора того же псевдокумола и диметилфталата, заключенными во вторую сферу из нержавеющей стали диаметром 13,7 м. Стальная конструкция размещается в огромной емкости, заполненной 2 400 т сверхчистой воды. Для сбора фотонов, излученных при сцинтилляции, используется 2 212 фотоэлектронных умножителей.

Авторы обработали данные, полученные за два года (537,2 дня непрерывной работы установки). В этот период времени, как сообщается, было зарегистрировано около 10 -9,9 (+4,1, -3,4) - событий, соответствующих геонейтрино. Снятые спектры также дают возможность оценить перспективы теории о геореакторе - естественном ядерном реакторе в ядре Земли. Подсчет количества зарегистрированных электронных антинейтрино с подходящей энергией показал, что мощность такого геореактора не может превышать 3 ТВт.

Представитель научной группы Borexino Джанпаоло Беллини (Gianpaolo Bellini) считает полученный результат первым подтвержденным случаем регистрации геонейтрино, а данные KamLAND - лишь указанием на возможность существования этих частиц. Участник конкурирующего эксперимента Ацуто Сузуки (Atsuto Suzuki) с ним, конечно же, не соглашается. "В 2008 году у KamLAND было уже 73 ╠ 27 зарегистрированных событий, а у Borexino - всего 9,9 (+4,1, -3,4), - напоминает ученый. - Я думаю, тут и без моих объяснений все должно быть понятно".

Обе стороны, впрочем, согласны с тем, что им требуются бСльшие объемы данных. В настоящее время в стадии планирования находятся сразу несколько крупных экспериментов, в число которых входит и амбициозный проект установки детектора массой в 10 тысяч тонн на дне Тихого океана.

Внутренняя поверхность стальной сферы, на которой установлены фотоэлектронные умножители (фото сделано участниками проекта Borexino).

Препринт с описанием результатов исследований размещен на сайте arxiv (1003:0284).

Источники: Physicsworld.Com, Компьюлента.