Российский эксперимент GeN: германий в поисках Новой физики

Несмотря на то, что нейтрино были предсказаны теоретически еще в 1930 году и открыты экспериментально в 1956 году, они до сих пор хранят много тайн для физиков. Одна из них — это когерентное рассеяние нейтрино на ядрах вещества (КРН или CEvNS). Это процесс, при котором нейтрино взаимодействует со всеми нуклонами (протонами и нейтронами) ядра как с единой частицей. Это возможно благодаря тому, что длина волны нейтрино больше размера ядра, и поэтому оно выступает как единый диполь.


КРН было предсказано теоретически еще в 1974 году американским физиком Дэвидом Фридманом, однако экспериментально его смогли зарегистрировать только в 2017 году коллаборация COHERENT на ядерном реакторе в Ок-Ридж, США. Это было возможно благодаря использованию детектора из кристаллов цезия и йода (CsI), который имел очень низкий порог регистрации энергии отдачи ядра (около 1 кэВ) и хорошее энергетическое разрешение. Детектор был расположен на расстоянии около 20 метров от реактора мощностью 85 МВт, который испускал большое количество антинейтрино с энергией до 10 МэВ.

КРН представляет большой интерес для физики, так как позволяет тестировать Стандартную модель электрослабых взаимодействий при низких энергиях, измерять угол Вайнберга и ядерные формфакторы, а также искать новые физические явления, такие как нестандартные взаимодействия нейтрино (NSI), стерильные нейтрино, аксионы и другие частицы темной материи. Кроме того, КРН может иметь практическое применение для мониторинга потока нейтрино от реакторов и для контроля за распространением ядерного оружия.

В России также ведутся исследования по КРН на ядерном реакторе. Исследователи из лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (ЛЯП ОИЯИ) разработали установку GeN (Germanium Neutrino), которая использует детектор из высокочистого германия (HPGe). Германий — полупроводниковый материал, который имеет ряд преимуществ для детектирования КРН. Во-первых, он имеет высокую атомную массу (72 а. е.), что увеличивает сечение КРН. Во-вторых, он имеет очень низкий порог регистрации энергии отдачи ядра (менее 0,5 кэВ) и отличное энергетическое разрешение (менее 0,2 кэВ). В-третьих, он позволяет различать сигнал от КРН от фоновых событий по форме импульса.



Установка GeN размещена под реактором мощностью 3,1 ГВт в максимально возможной близости от центра его активной зоны (около 8 метров). Такое расположение спектрометра позволяет оперировать большим потоком антинейтрино: 5×1013 частиц на см2 в секунду. Для уменьшения фона от космических лучей и радиации реактора детектор был закрыт свинцовым и медным экранами. Для стабилизации температуры детектора использована специальная система охлаждения. Работу детектора и сбор данных контролирует специализированное ПО и электроника.

Основная цель эксперимента — измерение сечения КРН на германии и поиск отклонений от Стандартной модели, которые могут свидетельствовать о наличии Новой физики. В частности, интерес представляют нестандартные взаимодействия нейтрино, которые могут изменять спектр энергии отдачи ядра или нарушать CP-инвариантность при нейтринных осцилляциях. Также в эксперименте ищут стерильные нейтрино, аксионы и другие частицы темной материи, которые могут давать дополнительный сигнал или фон при рассеянии нейтрино.

По оценкам исследователей, эксперимент GeN имеет высокую чувствительность к Новой физике и может дать значимые результаты в ближайшее время.


— Александр Лобашевский, руководитель проекта.