Sudbury Neutrino Observatory
Sudbury Neutrino Observatory (SNO) — детектор нейтрино, находившийся на глубине двух километров в никелевом руднике близ Садбери в Онтарио. В 2002 году он положил конец спору, который вёлся с 1968 года, и принёс Артуру Б. Макдональду Нобелевскую премию 2015 года.
Вопрос
Со времён опыта Homestake было установлено, что приходит лишь около трети ожидаемых солнечных нейтрино. Неясно было, с чем это связано.
Обсуждались два объяснения. Либо ошибочна была модель Солнца — тогда проблема была бы у астрофизики. Либо нейтрино превращались по дороге — тогда она была бы у физики частиц.
Различить эти две возможности не мог ни один детектор, ведь все они откликались только на электронные нейтрино. Более слабое Солнце и превращённые нейтрино дают в таком приборе одну и ту же картину: слишком мало событий.
Решение: тяжёлая вода
SNO обошёл это с помощью хитрого приёма. Детектор содержал 1 000 тонн тяжёлой воды в прозрачном акриловом сосуде диаметром двенадцать метров, окружённом 9 600 фотоумножителями и оболочкой из обычной воды.
Тяжёлая вода содержит дейтерий, а дейтерий может реагировать с нейтрино тремя способами:
Заряженный ток. Расщепить дейтрон на два протона и электрон способно только электронное нейтрино. Эта реакция, стало быть, считает лишь те нейтрино, которые сохранили свой первоначальный сорт.
Нейтральный ток. Разложить дейтрон на протон и нейтрон способно нейтрино любого сорта. Эта реакция считает все нейтрино, какого бы сорта они ни были.
Упругое рассеяние на электронах. Вклад дают все сорта, но электронные нейтрино заметно сильнее. Эта реакция дополнительно даёт направление.
Сравнение первых двух чисел отвечает на вопрос напрямую — и притом без всякой необходимости привлекать модель Солнца. В этом и состоит изящество установки: она измеряет отношение, а отношения устойчивее абсолютных величин.
Тем, что 1 000 тонн тяжёлой воды вообще удалось получить, дело обязано особому канадскому пути. Тамошние атомные электростанции CANDU работают на ней; государственное агентство по атомной энергии одолжило запас. Его стоимость составляла несколько сотен миллионов долларов.
Три фазы измерений
Нейтральный ток порождает свободный нейтрон — а нейтроны трудно увидеть. SNO подошёл к этой задаче трижды, разными средствами, и тем самым сделал регистрацию независимой от какого-то одного метода:
| Фаза | Период | Регистрация нейтронов |
|---|---|---|
| чистая тяжёлая вода | 1999–2001 | захват на дейтерии |
| солевая фаза | 2001–2003 | добавлено две тонны поваренной соли, захват на хлоре |
| фаза счётчиков | 2004–2006 | пропорциональные счётчики с гелием-3 |
Все три фазы пришли к одному и тому же результату. Это форма контроля, которую эксперимент может позволить себе лишь редко.
Результат
По заряженному току пришла примерно треть ожидаемой скорости счёта — ровно тот дефицит, который Дэвис обнаружил тридцатью годами ранее. По нейтральному току пришла полная скорость счёта.
Тем самым было доказано и то и другое сразу: Солнце испускает ровно столько нейтрино, сколько рассчитал Джон Бэколл. И две трети из них превращаются по дороге в другие сорта.
Решающая публикация появилась в июне 2002 года. Бэколл, который три десятилетия держался за свой расчёт, сравнил позже это чувство с тем, как если бы тридцать лет утверждать шарообразность Земли — а потом кто-то возвращается из кругосветного плавания.
Почему он должен был лежать так глубоко
Рудник Крейтон даёт 2 092 метра породы над детектором, что соответствует примерно 6 000 метрам воды. Только так удалось снизить фон от космических мюонов до нескольких событий в день.
К этому добавилось требование чистоты, граничившее с одержимостью: каждый грамм пыли в акриловом сосуде за счёт своей естественной радиоактивности порождал бы нейтроны и тем самым искажал сигнал нейтрального тока. Сосуд собирали под землёй в условиях чистой комнаты.
Последствия
SNO был выключен в 2006 году. Из установки вырос SNOLAB, одна из самых глубоких подземных лабораторий мира. Сегодня там работает SNO+, который ищет безнейтринный двойной бета-распад, а рядом — несколько экспериментов по тёмной материи.
Связанные понятия
- Артур Б. Макдональд — руководитель
- Проблема солнечных нейтрино — решённый вопрос
- Опыт Homestake — исходный результат
- Эффект MSW — объяснение превращения
Источники
- Коллаборация SNO (Q. R. Ahmad и др.): Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 89, 011301 (2002).
- Коллаборация SNO: Combined Analysis of all Three Phases of Solar Neutrino Data from the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review C 88, 025501 (2013).