Создание крупнейшего в мире детектора нейтрино вышло на финишную прямую — наука начнётся летом

Институт физики высоких энергий (IHEP) Китайской академии наук (CAS) сообщил, что крупнейший в мире детектор нейтрино — установка JUNO в провинции Гуандун — начали заполнять сверхчистой водой. Заполнение пройдёт в два этапа и станет финальной стадией подготовки детектора к работе. Научный поиск на JUNO начнётся в августе 2025 года — на 3–5 лет раньше запуска подобных установок в США и Японии.

Источник изображения: Xinhua

Детектор нейтрино JUNO представляет собой колодец высотой с 12-этажный дом. Внутри колодца размещена 35-м сфера из акрила, удерживаемая 41,1-м каркасом из стали. Всё это расположено на глубине 700 метров, чтобы скалы отсеяли как можно больше случайных частиц из космоса и земного происхождения. Для нейтрино всё это не преграда. Чтобы одна частица нейтрино с вероятностью 50 % столкнулась с атомом, необходима стена свинца толщиной в один световой год. Но поскольку нейтрино — это вторая по количеству частица во Вселенной, их так много, что частота столкновений в детекторе будет достаточной для проведения наблюдений.

В частности, детектор JUNO ежедневно будет определять около 40 нейтрино от работающих неподалёку атомных реакторов АЭС, несколько атмосферных нейтрино, одно геонейтрино и тысячи солнечных нейтрино. В течение шести лет работы учёные рассчитывают обнаружить около 100 тыс. нейтрино, что поможет продвинуться в их изучении. Нейтрино уникальны — они три в одном. В процессе движения от Солнца, например, нейтрино переходят из одного типа в другой, затем в третий и возвращаются к первому. При этом каждый раз у них меняется масса. Новейшие детекторы нейтрино, прежде всего, будут уточнять распределение масс всех трёх типов нейтрино: мюонного, электронного и тау-нейтрино.

В детекторе JUNO и в других аналогичных установках нейтрино взаимодействуют с жидкостью в камерах, вызывая рождение фотонов. Фотоны регистрируются тысячами сверхчувствительных фотодетекторов, установленных на стенках сферической камеры. По трекам фотонов учёные будут определять характеристики частиц, проявивших себя во взаимодействии, — их энергию, а значит, и массу.

В колодец детектора будет закачано 35 тыс. тонн сверхчистой воды и ещё 20 тыс. тонн сверхчистой воды — в сферу детектора. Скорость закачки жидкости достигает 100 т/ч. (У России на этот случай есть Байкал, сверхчистая вода которого позволяет просто опустить детекторы нейтрино в его воды на глубину.) В течение первых двух месяцев сверхчистая вода будет заполнять как внутреннюю, так и внешнюю поверхность гигантской сферы. После этого, в течение следующих шести месяцев, сверхчистая вода внутри сферы будет заменена жидким сцинтиллятором. Обычно это жидкий аргон.

Процедура подготовки детектора JUNO должна завершиться к августу 2025 года. Работа установки продлится 30 лет. Её стоимость составляет $376 млн. Помимо китайских учёных, в проекте принимают участие исследователи из 17 других стран и регионов, почти 300 из которых представляют Европу, включая Италию, Германию и Францию. Аналогичные детекторы DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии должны быть приняты в эксплуатацию ближе к 2028 году, но,похоже , начнут работу ощутимо позднее.