Среди важнейших достижений российских ученых 2020 года в
ежегодном докладе президента РАН Александра Сергеева была отмечена работа
«Новое ограничение на нарушение симметрии между материей и антиматерией в
нейтринных осцилляциях», проведенная в рамках международного эксперимента Т2К в
Японии. В этой работе наряду с коллегами из 11 стран участвовали представители
Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, а также студенты МИФИ и МФТИ. Как был
достигнут этот результат? Что он значит для науки? Как работает крупная
международная коллаборация в современной физике? Обо всем это рассказал
руководитель проекта с российской стороны, заведующий Отделом физики высоких
энергий ИЯИ РАН, профессор, д.ф.-м.н. Юрий Куденко.
Загадка мироздания
«Нейтринная физика – это и есть та самая новая физика, –
говорит Юрий Куденко. – Сейчас ее повсюду ищут в отклонениях поведения разных
частиц от предсказаний Стандартной Модели. А нам их искать не надо, так как
Стандартная Модель постулирует нулевую массу нейтрино и, следовательно,
отсутствие осцилляций нейтрино. Таким образом, мы уже изучаем новую физику и
это очень воодушевляет».
Одна из самых интригующих загадок, которую пока не может
объяснить теория, это барионная асимметрия Вселенной. Она состоит в том, что в
окружающем нас мире есть вещество, но нет антивещества. Античастицы можно
получить только искусственно на ускорителях. Этот дисбаланс возник, скорее
всего, в момент Большого взрыва, причем на 10 миллиардов парных частиц и
античастиц возникла лишь одна «лишняя» частица. Парные исчезли в процессе
аннигиляции (взаимоуничтожения), а из «лишних» образовалась вся наша Вселенная.
Стандартная Модель (СМ) элементарных частиц объяснить этот
факт не может. В последние десятилетия появилось некоторое количество
экспериментальных данных, которые не вписываются в рамки СМ. К примеру, она не
может объяснить наличие ненулевой массы нейтрино. Открытие массы нейтрино в
1998 г. стало одним из главных результатов работы японской подземной нейтринной
обсерватории «Супер-Камиоканде», о которой недавно рассказал нобелевский
лауреат Такааки Каджита в своей лекции
во время российского фестиваля Nauka 0+.
Фото 1. Детектор нейтринной лаборатории «Супер-Камиоканде»
представляет собой упрятанный в скальный грунт на глубине 1000 м подземный
резервуар диаметром 39 м и высотой 42 м, заполненный специально очищенной водой
массой 50 тыс. тонн. 11146 фотоумножителей фиксируют черенковское излучение от
заряженных частиц, которые возникают в результате взаимодействия нейтрино с водой.
В 2002 году сформировалась новая международная коллаборация
Т2К, в которой с самого начала участвует ИЯИ. В течение нескольких лет были
созданы и запущены в работу нейтринный канал на протонном ускорителе J-PARC и ближний нейтринный детектор. В
2010 году начался набор статистики с использованием пучка нейтрино,
направленного от ускорителя J-PARC в детектор «Супер-Камиоканде», который находится на расстоянии
295 км в г. Токай. Поэтому эксперимент получил название T2K (Tokai-to-Kamioka).
Рис. 1. Схема эксперимента Т2К.
Одним из важнейших результатов работы этого проекта стало
получение данных, которые свидетельствуют об еще одном важном нарушении
предсказаний СМ: асимметрии свойств нейтрино и антинейтрино, так называемой CP-асимметрии. Пока еще считать
это установленным фактом рано, поэтому и говорится лишь об указании на
нарушение симметрии, но в ходе этого исследования получены очень серьезные
данные о существовании этого эффекта.
«Нейтринная физика чем хороша – никто не знает, где что-то
выпрыгнет, – говорит Юрий Куденко. – Уже не раз это было. Например, никто не
ожидал в 2011 году, когда мы открывали данные нашего эксперимента, что мы
обнаружим большой эффект осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино.
Трудно было в это поверить».
На пути к этому достижению пришлось преодолеть немало
трудностей.
Испытание на прочность
Работы в коллаборации Т2К по созданию установок начались в
2005 году и продолжались около пяти лет. ИЯИ вошел в проект еще на этапе
формирования заявки, то есть стал одним из его сооснователей. Эксперимент
состоит из трех основных частей (см. рис. 1): огромной, диаметром 39 м и
высотой 42 м, подземной нейтринной обсерватории «Супер-Камиоканде», ускорителя
J-PARС, который формирует пучок нейтрино и антинейтрино, и ближнего детектора,
который располагается на глубине около 20 м в 280 м от ускорителя. По разнице в
характеристиках и составе нейтринного пучка на ближнем и дальнем детекторе
определяются параметры осцилляций, то есть взаимопревращений различных типов
нейтрино на пути от ускорителя к дальнему детектору «Супер-Камиоканде». По этим
осцилляциям можно многое узнать о свойствах нейтрино.
«Обязанности поделили, – рассказывает Юрий Куденко. – Каждая
страна должна была внести материальный вклад в эксперимент. К примеру, магнит
массой около 1000 тонн для ближнего детектора поставил ЦЕРН. Это тот самый
магнит, который использовался нобелевским лауреатом Карло Руббиа для открытия W-бозонов. Его очистили от
ржавчины, покрасили и привели в рабочее состояние».
Россия вместе с коллегами из других стран делала в проекте
ближний детектор, причем на долю специалистов из ИЯИ вместе с коллегами из США
выпало изготовление сцинтилляционных детекторов, установленных в ярмо магнита.
Фото 2. Мюонные детекторы, изготовленные ИЯИ РАН и ООО
«Унипласт» (Владимир) для ближнего нейтринного детектора эксперимента Т2К.
Каждая страна должна была изыскивать собственное
финансирование на свою часть работы. Российская часть, представлявшая собой
2250 детекторов (плюс около 250 запасных) (см. фото 2), обошлась приблизительно
в 1,2 млн долларов, если брать только стоимость изготовления, и в 2 млн
долларов, если учитывать все траты, включая оплату труда специалистов,
транспортировку и командировочные расходы.
В 2009 году ближний детектор был готов, в 2010 году начались
измерения с пучком нейтрино, а в 2011 году коллаборацию ждало серьезное
испытание на прочность, причем в буквальном смысле этого слова: 11 марта
произошло Великое восточно-японское землетрясение, то самое, которое разрушило
АЭС «Фукусима».
«Наши сотрудники встретили землетрясения прямо там, в
Японии, – рассказывает Юрий Куденко. – Их вывозило МЧС транспортным самолетом в
Хабаровск. В тот день мы как раз проводили семинар по статусу эксперимента, и
сразу после семинара я должен был лететь в Японию, но, когда я уже приехал в
Шереметьево, японцам удалось до нас дозвониться и сказать, чтобы я не прилетал,
потому что там ад кромешный. Даже через два-три месяца там все дыбом стояло,
где-то нельзя было проехать, асфальт перекореженный, крыши снесены, стекла
выбиты. Столовая была повреждена, и людям еще два года привозили еду в
традиционной упаковке – обэнто, но в первую очередь руководство J-PARC решило восстанавливать
экспериментальную установку, с чем все сотрудники согласились».
Были большие опасения и по поводу сохранности детекторов.
Компьютеры, которые стояли в помещениях, попадали со столов и разбились. А что
там творилось на глубине 20 метров? Нужен был осмотр. Пару месяцев шло
обсуждение, как раздвинуть и закрепить половинки магнита массой тысячу тонн.
Это было опасно, поскольку толчки продолжались. Только осенью удалось
обеспечить безопасный доступ к оборудованию.
Фото 3. Ближний детектор ND280, который расположен в шахте
глубиной около 20 м, с закрытыми половинками магнита (слева) и с раскрытым
магнитом (справа).
«Провели осмотр, начали включать и все были поражены – все
детекторы выжили, ни один не поврежден, настолько все было сделано качественно,
– рассказывает Юрий Куденко. – Мы были сначала удивлены, а затем очень горды за
свою работу».
Эксперимент продолжился. Шел набор статистики. Ученые ИЯИ
вместе с коллегами занялись анализом данных. Для этого формировались подгруппы
из участников коллаборации, которые брали на себя те или иные задачи.
Формирование этих групп проводилось в «добровольно-принудительном порядке», то
есть, с одой стороны, по желанию людей, с другой – силы распределялись так,
чтобы работы шли по всем направлениям.
Научная демократия
Вообще, вопрос о том, как работает большая международная
коллаборация в современной науке, – сам по себе очень интересен. Как удается
добиться слаженной и эффективной работы сотен ученых из разных стран?
На вершине иерархии T2K стоят
два сопредседателя, один из которых обязательно должен быть японцем, а второй
представлять одну из стран, внесших критически важный вклад в проект. К
примеру, сейчас это представитель Швейцарии. При этом оба сопредседателя
избираются раз в два года тайным голосованием с участием всех полномочных
членов коллаборации.
«Интересно, что сейчас от Японии пост сопредседателя
занимает женщина, что для этой страны крайне редкий случай, несмотря на все
новейшие тренды», – говорит Юрий Куденко.
Текущей работой руководит несколько комитетов, два из
которых являются важнейшими. Во-первых, это исполнительный комитет, в который
выбираются представители стран по определенным квотам в зависимости от их
вклада. Причем страна, от которой выбран сопредседатель-неяпонец, не может
выдвинуть своих представителей в исполнительный комитет, чтобы не получилось
перевеса одной из стран. Таким образом в этом комитете соблюдается баланс
«национальных интересов». Здесь решаются как научные, так и «политические»
вопросы. И есть комитет представителей институтов, куда входят представители от
каждой организации – участника коллаборации. Этот комитет учитывает
«ведомственные» интересы, и его важнейшая функция – прием или исключение членов
коллаборации, рассмотрение вопросов авторства публикаций и др. Есть и другие
комитеты, которые занимаются своими направлениями работы.
И сопредседатели, и комитеты обладают большой властью,
именно через них происходит рассмотрение, обсуждение основных предложений,
новых идей, планов, однако как их избрание, так и утверждение всех их важнейших
решений проходит только на общем собрании (ассамблее) всех членов коллаборации,
которое является высшим органом и проходит два-три раза в год.
«Все должны знать, что происходит, – рассказывает Юрий
Куденко. – Все имеют абсолютно равные права на общем собрании. И студенты, и их
начальники обладают равным голосом».
То есть все комитеты играют роль исполнительных руководящих
органов, но высшая власть принадлежит сообществу ученых, и никакие чиновники и
начальники в этот процесс напрямую вмешаться не могут. Проектом руководят те,
кто в нем непосредственно участвует.
«У России абсолютно равные со всеми права, – говорит Юрий
Куденко. – Представители России входят в состав всех комитетов. У нас большой
вклад, и практический, и теоретический, и в соответствии с ним большой вес.
Ценность вклада России в эксперимент Т2К состоит в том, что он и материальный,
и интеллектуальный. Правда, в число сопредседателей наш представитель пока не
входил, поскольку есть страны, вклад которых больше – это британцы, ЦЕРН, то
есть Швейцария, американцы с канадцами, но в будущем вполне возможно, что
представителя России изберут и на этот пост».
Впрочем, важность этой перспективы имеет относительное
значение. Главное, что вклад России в уникальный международный проект будет и в
дальнейшем оставаться достойным.
Уникальная вещь
«Где-то четыре года назад коллаборацией было принято решение
улучшить чувствительность ближнего нейтринного детектора и заменить центральную
его часть, где и происходят нейтринные взаимодействия до осцилляций нейтрино, –
рассказывает Юрий Куденко. – И у нас возникла идея разработки и создания для
этой цели суперсегментированного сцинтилляционного детектора СуперFGD».
Фото 4. Заведующий Отделом физики высоких энергий ИЯИ РАН Юрий
Куденко рядом с суперсегментированным сцинтилляционным детектором СуперFGD, приготовленным для
отправки в Японию.
Чем он уникален? Это 3D-детектор, состоящий из 2 млн сцинтилляционных кубиков, каждый
объемом 1 кубический сантиметр. Функционирующий в настоящее время ближний
детектор, который детектирует нейтринный пучок в 280 м от ускорителя, нацелен
на то, чтобы регистрировать заряженные частицы, летящие вперед, по направлению
движения пучка нейтрино, с довольно высоким энергетическим порогом. Кроме того,
этот детектор не может регистрировать нейтроны.
«Для дальнейшего повышения чувствительности Т2К в
осцилляционных измерениях нам необходимо регистрировать от нейтринных
взаимодействий все заряженные частицы и нейтроны, которые летят в любом
направлении, т.е. в полном телесном угле. Таким образом, мы восстанавливаем
нейтринное событие в 3D-объеме и полной 4π-геометрии», – говорит ученый.
Фото 5. Детектор СуперFGD состоит из 2 млн сцинтилляторов, один из которых на этой
фотографии показан отдельно с пропущенными через него спектросмещающими
волокнами.
Основным элементом, «пикселем», нового детектора является
сцинтиллятор – небольшой кубик, каждая сторона которого равна 1 см. Он
изготовлен на основе химически чистого полистирола со специальными
сцинтиллирующими добавками. Именно в нем в результате взаимодействия нейтрино с
веществом кубика рождаются частицы, по геометрии траекторий которых в магнитном
поле определяются параметры нейтринного потока на выходе из ускорителя, до
осцилляций. Эта траектория отслеживается по сцинтилляционному излучению,
которое порождает частица в каждом кубике на своем пути сквозь детектор.
Полистирол прозрачен, но поверхности кубиков покрыты специальным
светоотражающим покрытием, чтобы излучение не выходило за границы «своего»
кубика. С помощью высокоточных станков в кубике делаются три ортогональных
отверстия, сквозь которые протягивается спектросмещающие оптоволокна. По ним
сигнал поступает на микропиксельные лавинные фотодиоды. Таких оптических
каналов в детекторе будет около 60 тысяч. С их помощью и строится объемная
картина траектории частиц.
«Эти кубики-сцинтилляторы сделаны в ООО «Унипласт» во
Владимире, – рассказывает физик. – Примерно два года вместе с ними мы
разрабатывали технологию литья под давлением. Провели несколько испытаний
небольших прототипов детектора, от 100 до 10 тысяч кубиков. Три раза
тестировали их на пучках в ЦЕРНе, и они показали просто великолепные параметры.
После этого коллаборацией Т2К было окончательно принято решение делать такой
детектор. Два года шло серийное производство. И вот наконец в начале года мы
все это собрали вместе. Сейчас детектор собран на лесках, поскольку
спектросмещающее волокно дорого и мы не хотим его повредить при
транспортировке, а уже в Японии при окончательном монтаже мы заменим леску на
оптоволокно».
Фото 6. Первый прототип детектора СуперFGD, установленный
для тестов на канале заряженных частиц в ЦЕРНе (слева), и второй прототип, более
крупный, из 10000 сцинтилляционных кубиков.
Важно отметить, что производство сцинтилляторов было освоено
в России, то есть большая часть средств, которые были получены на этот проект
по различным грантам, была использована в России для разработки уникальных
технологий и в конечном итоге для создания участка массового производства.
Следует также подчеркнуть, что и технология микропиксельных лавинных фотодиодов
в свое время тоже была предложена и разработана в России, однако массовое
производство в начале 2000-х годов наладить не удалось и теперь их серийным
изготовлением в основном занимается японская компания Hamamatsu Photonics.
«В свое время микропиксельные лавинные фотодиоды в России
тоже делали, – рассказывает ученый, – но одно дело изготовить один или даже 100
приборов, и совсем другое – когда требуется десятки тысяч. Hamamatsu здесь
довольно быстро опередил всех за счет прекрасной полупроводниковой технологии,
быстро развитой для масштабного промышленного производства. Японцы опередили не
только нас, но и практически всех производителей в мире».
«СуперFGD
– это новое сердце ближнего нейтринного детектора Т2К, это вклад ИЯИ, который
признается всем миром. Это действительно уникальная вещь, и я горжусь, что нам
удалось сделать это в России», – подводит итог важной работы Юрий Куденко.
Но на этом вклад России в международную ускорительную
нейтринную физику не исчерпывается. Перед тем, как говорить о будущем, стоит
вернуться к вопросу о том, почему в работе, которая была отмечена в докладе
президента РАН, говорится лишь об указании на нарушение симметрии между
материей и антиматерией, а не об открытии самого нарушения.
Нейтринный гиперпроект
«Само по себе обнаружение нового источника нарушения CP-симметрии – это открытие
уровня Нобелевской премии, – говорит Юрий Куденко. – Однако открытие
признается, когда эффект обнаруживается с погрешностью на уровне пяти
стандартных отклонений, или, как говорят, на уровне 5σ. В эксперименте Т2К мы такого уровня достичь не сможем. Вернее,
сможем, но если будем еще лет 50 набирать статистику. Это нереально. Сейчас мы
видим эффект с уверенностью на уровне не выше 95 %. Это уровень 2σ. Это означает, что если вы сделаете
100 одинаковых экспериментов, то 95 из них результат наверняка подтвердят, а 5
могут и не подтвердить. Есть вероятность, что в эксперименте не учтена какая-то
ошибка. Нам надо набирать статистику, уменьшать систематические погрешности и
таким образом повышать чувствительность эксперимента».
Для этого в Японии в 2020 г. получил одобрение правительства
проект «Гипер-Камиоканде», после чего было начато его финансирование.
Интенсивность протонного пучка ускорителя J-PARC
сейчас составляет 500 кВт, а будет 1,3 МВт, в 2,6 раза больше. И, главное,
создается новый черенковский подземный детектор диаметром 68 м и высотой 71 м.
Масса воды в «Супер-Камиоканде» 50 кт, а в «Гипер-Камиоканде» будет около 260
кт, причем активная часть детектора составит примерно 200 кт вместо 22,5 кт, то
есть почти в 9 раз больше.
«Увеличение в 2,6 раза по мощности пучка и в 9 раз по массе
воды в детекторе означает, что мы сможет набрать нужную статистику примерно в
20 раз быстрее, – говорит Юрий Куденко. – Вместо 50 лет нам потребуется 2,5
года для открытия нарушения СР-симметрии в случае максимального эффекта».
Детектор «Гипер-Камиоканде» на самом деле будет состоять из
двух детекторов – внутреннего диаметром 66 м, который будет регистрировать
нейтринные события внутри резервуара со сверхчистой водой, и внешнего
вето-детектора, с толщиной водного слоя 1 м вдоль стенок цилиндра и 2 метра в
нижней и верхней частях. Вето-детектор призван фиксировать и исключать из
рассмотрения фоновые явления – космические мюоны и частицы, которые родились в
окружающей породе. Оба детектора состоят из множества фотоумножителей, которые
должны фиксировать черенковское излучение в воде от воздействия частиц, вызванных
пролетом нейтрино. Во внутреннем детекторе стоят большие фотоумножители, во
внешнем – маленькие.
Фото 7. Юрий Куденко с фотоумножителем для внешнего
вето-детектора в руках.
«Больших фотоумножителей будет около 20 тысяч. Если внешний
детектор покрывать сплошь маленькими фотодетекторами, то их потребуется еще
больше – 30 или 40 тысяч, – рассказывает Юрий Куденко. – Большой фотоумножитель
стоит порядка 4000 долларов, а маленький – около 1500 долларов. Плюс
электроника стоимостью под 1000 долларов на каждый канал. Это безумно дорого».
Решением проблемы может стать уменьшение числа
фотоумножителей за счет того, что пространство между ними будет заполнено
спектросмещающими пластинами из полиметилметакрилата, то есть, по сути, из
оргстекла, со специальными добавками. Эти пластины соединяются с фотоумножителями. Черенковское излучение
поглощается пластиной, переизлучается в видимый свет и по пластине доходит до
фотоумножителя. Это позволит в разы удешевить внешний вето-детектор.
Фото 8. Пространство между фотоумножителями будет заполнено
спектросмещающими пластинами.
«Мы стали заниматься этими пластинами года полтора назад
вместе с НИИ химии и технологии полимеров имени академика В.А. Каргина, у
которого есть свое опытное производство, – рассказывает ученый. – Изучили эту
проблему и предложили им несколько вариантов состава. Начали работать, и уже
первые образцы показали очень хорошие результаты. В мире есть лишь две
компании, которые делают такие пластины. Мы у них тоже купили образцы, и когда
сравнили параметры их пластин и наших, то выяснилось, что нам удалось получить
гораздо лучшие свойства. Проект вето-детектора разделен между нами и
британцами, и они хотели использовать пластины одной из этих мировых фирм, но
сейчас стоит вопрос о том, чтобы везде использовать наши изделия, потому что
они лучше и дешевле».
Сейчас идет тестирование пластин различных размеров и
конфигураций. Важна и механика детектора, и конструкция всей системы, и
электроника, поскольку все это должно работать под давлением в воде на глубине
до 70 м в течение 20-30 лет.
В работах в рамках проекта «Гипер-Камиоканде» вместе с
учеными ИЯИ сегодня участвуют и представители других российских организаций:
Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, МГУ им. М.В.
Ломоносова, студенты и аспиранты МГУ, МИФИ, МФТИ.
Нейтринная гонка в разгаре
Обнаружение СР-нарушения в нейтринных осцилляциях на уровне
не меньше 5σ является не единственным
условием, чтобы результат был признан открытием. Требуется подтверждение
в другом, независимом эксперименте. Именно поэтому в настоящее время готовятся
два нейтринный суперпроекта – кроме «Гипер-Камиоканде» это DUNE в США. Именно между этими двумя
проектами пойдет гонка за приоритет в обнаружении нового источника нарушения CP-симметрии, а также поиска
других явлений: например, обнаружения распада протона и измерение его времени
жизни, если он нестабилен, детектирование реликтовых нейтрино от взрывов
сверхновых, поиск темной материи и др.
«Мировую науку ждет захватывающая «нейтринная гонка» двух
экспериментов с разными технологиями, разными нейтринными пучками, разными
базами, – считает Юрий Куденко.
Каковы шансы участников гонки на победу?
Рис. 2. Сравнение трех поколений детекторов нейтринной
обсерватории «Камиоканде».
«Проект «Гипер-Камиоканде» базируется на целой серии
предшествующих успешных экспериментов (см. рис. 2): «Камиоканде»,
«Супер-Камиоканде», К2К и Т2К, – говорит Юрий Куденко. – Многие тонкости
детекторов, нейтринного пучка, анализа данных хорошо поняты в этих экспериментах,
что облегчит и ускорит получение первых результатов в проекте
«Гипер-Камиоканде»».
Проект DUNE
в качестве дальнего детектора будет использовать 4 гигантские
время-проекционные камеры на основе жидкого аргона, массой 17 тысяч тонн
каждая. Это очень интересная технология, но, возможно, создание, запуск и
отладка таких детекторов потребует больше времени, чем планируется сейчас.
«Хотелось бы еще раз подчеркнуть, что оба эксперимента
одобрены, установки сооружаются и можно надеяться, что примерно через 7-8 лет
будут получены первые результаты, – подчеркивает Юрий Куденко. – Впереди очень
интересный этап в развитии нейтринной физики!»
Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.