SAGE

SAGE — Soviet-American Gallium Experiment — это детектор солнечных нейтрино в Баксанской нейтринной обсерватории на российском Кавказе. Он начал работу в 1990 году и является тем самым одним из самых долгоживущих экспериментов нейтринной физики.

Эксперимент из двух миров

Название рассказывает кусок современной истории. SAGE возник в конце холодной войны как сотрудничество советских и американских институтов — в то время, когда такие начинания были политически совсем не само собой разумеющимися.

Коллаборация пережила распад Советского Союза и работает по сей день, теперь под названием Russian-American Gallium Experiment.

Детектор находится в штольне под горой Андырчи, над ним около 2 000 метров скалы.

Устройство

SAGE использует, в отличие от GALLEX, металлический галлий — около 50 тонн, поддерживаемых при температуре около 30 градусов Цельсия. Галлий плавится при 29,8 градуса и при рабочей температуре, стало быть, жидкий, но не растворённый.

Процесс регистрации тот же: нейтрино превращает ядро галлия-71 в германий-71, порог 233 килоэлектронвольта. Тем самым и SAGE охватывает нейтрино из pp-цепочки, то есть из главной реакции Солнца.

Извлечение из жидкого металла химически сложнее, чем из хлоридного раствора. К нему добавляют водный раствор, всё это энергично перемешивают и вытягивают германий в водную фазу. Как и у GALLEX, речь идёт при этом о нескольких десятках атомов за период измерения.

Почему понадобились два эксперимента

То, что GALLEX и SAGE работали одновременно и с разной химической методикой, было не случайностью, а замыслом.

Оба опираются на щекотливую цепочку: нейтрино порождает атом, атом извлекают химически, его распад считают. На каждом участке что-то могло бы потеряться — а потеря выглядела бы точно так же, как недостающие нейтрино.

Если две группы с разными методиками, в разных странах, под разными горами измеряют один и тот же дефицит, результат не является лабораторной ошибкой. Обе нашли около 60 процентов ожидаемой скорости счёта.

Дважды откалиброван

SAGE тоже проверял себя искусственными источниками — причём двумя разными.

В 1995 году был применён источник из хрома-51, как у GALLEX. В 2004 году последовал источник из аргона-37, который даёт нейтрино несколько более высокой энергии. Тем самым метод был проверен в двух независимых точках.

Галлиевая аномалия

При этих калибровочных измерениях обнаружилось нечто неожиданное. И у SAGE, и у GALLEX измеренная скорость счёта была ниже рассчитанной по силе источника — примерно на 10–20 процентов.

Явление называется галлиевой аномалией. Одно из возможных истолкований — стерильные нейтрино: четвёртый сорт, который не связывается со слабым взаимодействием и в который часть нейтрино могла бы переходить на короткой дистанции.

Эксперимент-преемник BEST, тоже в Баксане, целенаправленно занялся этим вопросом начиная с 2019 года. Два вложенных друг в друга галлиевых объёма разного размера облучались одновременно — при переходе на короткой дистанции они должны были бы измерить разное. Дефицит подтвердился в 2022 году, различие между объёмами однозначно не проявилось.

Стоит ли за этим новая физика или недооценённая неопределённость в ядерном переходе, до сих пор открыто.

Оценка

SAGE показывает две вещи. Во-первых, насколько ценно независимое повторение — оба галлиевых эксперимента превратили проблему солнечных нейтрино из курьёза в твёрдый результат.

Во-вторых, что тщательная калибровка не только страхует, но и сама может вести к новым вопросам. Галлиевую аномалию не искали. Она бросилась в глаза, потому что кто-то внимательно посмотрел.

Связанные понятия

• GALLEX — параллельный эксперимент
• Стерильные нейтрино — возможное истолкование
• Проблема солнечных нейтрино
• Солнечные нейтрино

Источники

• Коллаборация SAGE: Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Physical Review C 80, 015807 (2009).
• Коллаборация BEST: Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).