Borexino

Borexino был детектором солнечных нейтрино в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Он работал с 2007 по 2021 год и сделал то, чего прежде не мог никто: измерение отдельных солнечных нейтрино в реальном времени и при низкой энергии.

Чего недоставало прежде

Радиохимические опыты вроде Homestake или GALLEX считают атомы. Они дают сумму за недели и ничего не говорят о том, когда пришло нейтрино, какая у него была энергия и с какого направления оно пришло.

Super-Kamiokande видит направление и время, но из-за малого светового выхода излучения Черенкова не опускается ниже примерно пяти мегаэлектронвольт.

Между тем и другим зияла брешь — а в этой бреши лежит более 99 процентов всех солнечных нейтрино.

Путь через сцинтиллятор

Borexino использовал сцинтиллятор, который даёт на мегаэлектронвольт около десяти тысяч фотонов вместо нескольких сотен. Тем самым порог регистрации опускается до нескольких сотен килоэлектронвольт.

Цена: теряется информация о направлении, а фон становится главенствующей проблемой. При столь низких энергиях сигнал тонет в собственной естественной радиоактивности детектора. Каждый грамм вещества содержит следы урана, тория и калия — в быту безобидные, здесь губительные.

Самое чистое место в мире

Поэтому Borexino должен был достичь чистоты, какой прежде не бывало. Устройство было луковичным: 278 тонн сцинтиллятора в тончайшей нейлоновой оболочке, окружённой буферной жидкостью, стальной сферой с более чем 2 000 фотоумножителями и, наконец, водяным баком. Сверху 1 400 метров скалы.

Обрабатывалась только самая внутренняя область примерно в сто тонн — внешние слои служили единственно тому, чтобы её экранировать.

Была достигнута чистота около одного атома урана на 10¹⁸ атомов сцинтиллятора. Разработка методов очистки заняла больше времени, чем постройка установки.

Результаты

Затраты окупились. Borexino один за другим измерил почти все нейтринные источники Солнца:

Регистрация pp-нейтрино в 2014 году — самая красивая: она непосредственно показывает ту реакцию, из которой Солнце черпает наибольшую часть своей энергии. Смотрели, как Солнце горит, — причём на процесс, идущий сейчас, а не на свет, которому нужны десятки тысяч лет, чтобы дойти до поверхности.

Регистрация CNO в 2020 году закрыла брешь, которую Ганс Бете открыл в 1939 году. Он описал два пути ядерного синтеза в звёздах; второй восемь десятилетий был только рассчитан, но никогда не увиден. У Солнца он даёт лишь около одного процента — у более тяжёлых звёзд он преобладает.

Попутно Borexino измерил переходную область, в которой эффект MSW переключается с вакуумного поведения на вещественное, и подтвердил предсказанную кривую.

Геонейтрино

Той же установкой Borexino зарегистрировал геонейтрино — антинейтрино из радиоактивного распада в недрах Земли. Итальянское расположение для этого выгоднее японского у KamLAND, потому что поблизости меньше атомных электростанций.

Измерение 2020 года по сей день самое точное в своём роде.

Последействие

Borexino был выключен в 2021 году. Что остаётся — это техника: разработанные методы очистки стоят сегодня за JUNO, которому с 20 000 тоннами сцинтиллятора предстоит достичь той же чистоты в семидесятикратном объёме.

Связанные понятия

• Солнечные нейтрино — что измерялось
• Сцинтиллятор — методика регистрации
• Геонейтрино — взгляд в недра Земли
• JUNO — преемник по масштабу

Источники

• Коллаборация Borexino: Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun, Nature 512, 383 (2014).
• Коллаборация Borexino: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun, Nature 587, 577 (2020).