Баксанская нейтринная обсерватория

Баксанская нейтринная обсерватория (БНО) — это научно-исследовательское учреждение Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), расположенное в горах Кабардино-Балкарии. Обсерватория специализируется на регистрации нейтрино — слабовзаимодействующих элементарных частиц, а также на изучении космических лучей, геофизических процессов и поиске редких ядерных распадов. БНО является одной из крупнейших и старейших подземных лабораторий в мире, предназначенных для физики частиц и астрофизики.

История

Предпосылки создания

Идея строительства подземной нейтринной обсерватории в СССР возникла в конце 1950-х — начале 1960-х годов, когда стало ясно, что для регистрации нейтрино от Солнца и других астрофизических источников необходимо экранировать детекторы от фона космических лучей. Толща горной породы эффективно поглощает мюоны и другие частицы, создаваемые космическим излучением, что позволяет снизить уровень шумов в миллионы раз.

Выбор места и строительство

Место для обсерватории было выбрано в долине реки Баксан (приток Терека) в Приэльбрусье, на высоте около 1700 метров над уровнем моря. Гора Андырчи (массив Андыртау) обеспечивала необходимую толщину породы (от 300 до 2000 метров водного эквивалента) для защиты детекторов. Строительство началось в 1967 году. Для доступа к подземным залам был пробит горизонтальный тоннель длиной 3670 метров, проходящий через гору. Внутри горы были вырублены несколько крупных камер (залов) высотой до 12 метров и шириной до 10 метров. Обсерватория была введена в эксплуатацию в 1977 году.

Развитие

В 1970-1980-е годы в БНО были развёрнуты основные установки: галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ), сцинтилляционный телескоп и установка для поиска распада протона. В 1990-е годы, несмотря на экономические трудности, обсерватория продолжала работу, а в 2000-х годах началась модернизация оборудования. В 2010-х годах были запущены новые эксперименты, в том числе по поиску тёмной материи и геонейтрино.

Устройство и инфраструктура

Подземный комплекс

Основная часть БНО расположена в толще горы Андырчи на глубине от 300 до 2000 метров водного эквивалента (м.в.э.). Доступ к подземным залам осуществляется через главный тоннель, по которому проложены рельсы для вагонеток и проложены кабельные линии. Внутри горы находятся три основных зала:

• Зал I — наиболее глубокий (около 2000 м.в.э.), в нём расположен галлий-германиевый нейтринный телескоп.
• Зал II — на глубине около 1000 м.в.э., в нём находится сцинтилляционный телескоп и установка для поиска распада протона.
• Зал III — на глубине около 300 м.в.э., в нём расположены установки для изучения космических лучей и геофизических исследований.

В каждом зале поддерживается постоянная температура (около +10°C) и влажность, а также обеспечена система вентиляции и электроснабжения.

Наземный комплекс

На поверхности расположены административные здания, лаборатории, мастерские, жилые корпуса для сотрудников, а также вспомогательные службы. Наземные установки включают детекторы космических лучей (например, широкий атмосферный ливень) и метеостанцию.

Основные научные установки

Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ)

ГГНТ — это уникальная установка для регистрации солнечных нейтрино низких энергий (pp-нейтрино). Принцип её работы основан на реакции захвата нейтрино ядром изотопа галлия-71 с превращением его в германий-71: \[ \nu_e + ^{71}\text{Ga} \rightarrow ^{71}\text{Ge} + e^- \] Детектор представляет собой резервуар, содержащий около 50 тонн металлического галлия (в виде жидкого сплава). После определённой экспозиции (обычно несколько недель) из галлия химическим методом выделяется образовавшийся германий-71, количество которого измеряется по его радиоактивному распаду. ГГНТ позволяет измерять поток нейтрино от Солнца с высокой точностью и проверять модели солнечных процессов. Эксперимент на ГГНТ (совместно с аналогичным экспериментом GALLEX/GNO в Италии) подтвердил существование дефицита солнечных нейтрино (проблема солнечных нейтрино), который впоследствии был объяснён осцилляциями нейтрино.

Сцинтилляционный телескоп (Баксанский сцинтилляционный телескоп, БСТ)

БСТ представляет собой массив из 3180 жидких сцинтилляционных детекторов, размещённых в четырёх этажах подземного зала II. Каждый детектор — это стальной бак объёмом 1 м³, заполненный жидким сцинтиллятором (на основе уайт-спирита). Сцинтиллятор регистрирует прохождение заряженных частиц (мюонов, нейтрино) по вспышкам света, которые фиксируются фотоэлектронными умножителями. БСТ используется для:

• Регистрации атмосферных нейтрино (образующихся при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли).
• Поиска распада протона (предсказываемого теориями Великого объединения).
• Изучения космических лучей (мюонной компоненты).
• Регистрации нейтринных вспышек от сверхновых (в режиме реального времени).

Установка «Андырчи»

Это низкофоновый германиевый детектор, расположенный в зале III. Он предназначен для поиска редких ядерных процессов, таких как двойной бета-распад, а также для изучения геонейтрино (нейтрино, образующихся в недрах Земли при радиоактивном распаде урана, тория и калия). Установка «Андырчи» отличается крайне низким уровнем радиоактивного фона, что достигается за счёт глубокого подземного расположения и специальных материалов.

Установка «Ковёр»

Это наземная установка для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), вызванных космическими лучами сверхвысоких энергий. Она состоит из массива сцинтилляционных детекторов, развёрнутых на площади около 1 км². «Ковёр» позволяет изучать состав и энергетический спектр космических лучей в диапазоне энергий от 10^14 до 10^17 эВ.

Научные достижения

Решение проблемы солнечных нейтрино

Данные, полученные на ГГНТ в 1990-2000-х годах, в сочетании с результатами других экспериментов (Super-Kamiokande, SNO), позволили окончательно подтвердить, что нейтрино обладают массой и способны осциллировать (превращаться из одного типа в другой). Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 2015 году (Такааки Кадзита и Артур Макдональд). Вклад БНО в это открытие заключается в измерении потока pp-нейтрино, который является наиболее прямым и точным.

Поиск распада протона

Эксперименты на БСТ установили одни из самых строгих ограничений на время жизни протона (более 10^31 лет, в зависимости от канала распада). Хотя распад протона до сих пор не обнаружен, эти ограничения важны для проверки теорий Великого объединения.

Изучение космических лучей

Установка «Ковёр» и БСТ предоставили данные о спектре и составе космических лучей в области энергий, где происходит переход от галактических к внегалактическим источникам. Эти данные используются для построения моделей происхождения космических лучей.

Геофизика и геонейтрино

Установка «Андырчи» участвует в международных проектах по измерению геонейтрино, что позволяет оценить радиоактивную теплогенерацию в недрах Земли и уточнить модели её внутреннего строения.

Международное сотрудничество

БНО активно участвует в международных научных проектах. В частности, она является участником коллаборации LVD (Large Volume Detector) в Италии, а также сотрудничает с японскими, американскими и европейскими исследовательскими группами по вопросам нейтринной физики и астрофизики. В 2010-х годах БНО вошла в состав международной сети подземных лабораторий (International Underground Laboratory Network).

Современное состояние и перспективы

В настоящее время БНО продолжает функционировать и модернизироваться. В 2021 году была завершена модернизация ГГНТ, позволившая повысить его чувствительность. Планируется создание новых детекторов для поиска тёмной материи (например, на основе жидкого ксенона) и регистрации нейтрино от сверхновых. Обсерватория остаётся важным центром подготовки научных кадров в области физики частиц и астрофизики.

Интересные факты

• Баксанская нейтринная обсерватория является самой высокогорной подземной лабораторией в мире (высота над уровнем моря — 1700 м).
• Галлий-германиевый телескоп БНО содержит около 50 тонн галлия — это одно из крупнейших в мире хранилищ этого редкого металла.
• Для строительства тоннеля и подземных залов было извлечено более 200 000 м³ горной породы.
• В 1990-е годы обсерватория была на грани закрытия из-за недостатка финансирования, но была сохранена благодаря поддержке РАН и международного научного сообщества.

Источники

• Баксанская нейтринная обсерватория // Институт ядерных исследований РАН. — Официальный сайт.
• В. В. Кузьминов, А. А. Поманский, В. П. Судаков. Баксанский сцинтилляционный телескоп // Приборы и техника эксперимента. — 1978.
• Ю. С. Лютостанский, А. А. Семёнов. Галлий-германиевый нейтринный телескоп БНО // Успехи физических наук. — 2002.
• G. Bellini et al. (Borexino Collaboration). Final results of Borexino on solar neutrinos // Physical Review D. — 2014.
• M. Agostini et al. (GERDA Collaboration). Search for neutrinoless double-beta decay of 76Ge with GERDA // Nature. — 2020.