Применение фотоэлектронных умножителей

Применение фотоэлектронных умножителей для регистрации нейтрино

В международном эксперименте Борексино, реализуемом в подземной лаборатории Национального института ядерной физики Италии, расположенной в горном массиве Гран Сассо в центре Аппенин, получены первые результаты, которые расширяют фундаментальные знания о свойствах нейтрино, механизмах генерации энергии и структуре Солнца.Впервые в режиме реального времени наблюдались солнечные нейтрино с энергией менее 1 МэВ, рождаемые в ядерных реакциях в центре Солнца. До настоящего времени только нейтрино более высоких энергий (более 5 МэВ), излучаемые в других и более редких реакциях, детектировались в экспериментах, выполненных в Канаде и Японии. Подготовка и запуск столь крупномасштабного эксперимента являются выдающимся успехом мировой физики. Детектор Борексино продолжит набор данных в течение 11 лет, на протяжении одного солнечного цикла. Исследования свойств нейтрино и распространения нейтрино в веществе и вакууме, с одной стороны, открывают возможность изучения явлений, актуальных для построения более фундаментальной теории субатомной материи, теории эволюции Вселенной.

С другой стороны, нейтрино используются как инструмент для исследования внутреннего строения Солнца и проверки Стандартной солнечной модели, теоретически разработанной для объяснения механизмов генерации энергии Солнца. Нейтрино, рожденные в центре Солнца, по пути к Земле проходят огромные слои солнечной материи и приблизительно через 2 секунды покидают его, практически не взаимодействуя c веществом и не изменяя энергии. Для сравнения, фотоны, излучаемые в центре Солнца, испытывают многочисленные взаимодействия и не имеют ни малейшего шанса вылететь из него, сохранив информацию об условиях своего рождения. Таким образом, регистрация в подземной лаборатории Гран-Сассо нейтрино, обладающих невероятной проникающей способностью, позволяет осуществить нечто подобное компьютерной томографии Солнца для изучения его свойств и строения. Детектор Борексино обладает высокой чувствительностью к антинейтрино, излучаемым продуктами распада естественных радиоактивных изотопов, которые содержатся в недрах Земли. Естественная радиоактивность является одним из основных вкладов в достаточно мощный подогрев нашей планеты. Регистрация гео-нейтрино для изучения радиогенной составляющей теплового потока Земли затруднена на фоне потоков антинейтрино от реакторов атомных электростанций. Поэтому Гран Сассо является очень удачным местом, так как лаборатория расположена в центре Италии и достаточно далеко удалена от европейских атомных реакторов, которых в самой Италии нет.

Детектор представляет собой стальной цилиндр, соединенный сверху со сферой диаметром 16 метров. Внутренняя структура детектора состоит из нескольких слоев и напоминает русскую матрешку. Внешний слой заполнен 2400 тоннами сверхчистой воды, защищающей детектор от естественной радиоактивности горных пород и материалов внешних конструкций. Этот же слой способен регистрировать редкие космические мюоны, не поглотившиеся в 1000-метровой толще скал, окружающих подземную лабораторию. Следующий слой - стальная сфера, заполненная 1000 тоннами сверхчистого пседокумола - углеводородного соединения, используемого для защиты центральной части детектора. На внутренней поверхности стальной сферы установлены 2200 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) – чувствительных приборов, способных улавливать очень слабые вспышки света, происходящие при взаимодействии нейтрино в детекторе. И, наконец, в центре детектора находится прозрачный нейлоновый шар радиусом 4.25 метра, содержащий 300 тонн сцинтиллирующей жидкости. Вода и углеводородные соединения, используемые в детекторе, очищены до рекордно низких уровней собственной радиоактивности. Детектор работает следующим образом: нейтрино при “столкновении” с электроном сцинтиллирующей жидкости передает ему часть энергии, вызывая вспышку света, которая и регистрируется ФЭУ. При этом измеряется не только энергия, высвободившаяся в соударении, но и определяется точка внутри детектора,где нейтрино “столкнулось” с электроном.Последнее обстоятельство очень важно для выделения центральной части детектора с радиусом около 3 метров, максимально защищенной от слабой остаточной радиоактивности внешних материалов.

Детектирование таких “неуловимых” частиц как нейтрино осложняется естественной радиоактивностью, всегда присутствующей в той или иной степени в любых материалах, которая имитирует процессы нейтринного взаимодействия. Поэтому, основные усилия исследователей в проекте Борексино были направлены на подбор радиационно чистых материалов для сооружения детектора и разработку новых технологий очистки жидкостей и газов от естественных радиоактивных примесей. В результате исследований, продолжавшихся более 8 лет, удалось достичь фантастических результатов: в каждом грамме вещества, в котором взаимодействует нейтрино, содержится лишь 0.00000000000000001 грамма посторонних примесей. Например, азот, использованный в эксперименте, обладает уровнем радиоактивности в миллиард раз меньшим, чем природный азот (составляющий почти 80% воздуха).