СОЗДАНИЕ ИСТОЧНИКА НЕЙТРИНО НА ОСНОВЕ АРГОНА-37,
ПОЛУЧЕННОГО В РЕАКТОРЕ БН-600, ДЛЯ КАЛИБРОВКИ
ГАЛЛИЙ-ГЕРМАНИЕВОГО НЕЙТРИННОГО ТЕЛЕСКОПА

В октябре 2004 года в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) Института ядерных исследований РАН был завершен эксперимент по калибровке галлий-германиевого нейтринного телескопа с использованием искусственного источника нейтрино на основе радиоактивного изотопа аргон-37.

Нейтринные исследования начались в 60-е годы прошлого столетия, когда в США в первых измерениях, целью которых была проверка гипотезы термоядерной природы свечения звезд, на хлор-аргоновом нейтринном телескопе был обнаружен дефицит солнечного нейтринного потока по сравнению с расчетами на основе общепринятой Стандартной солнечной модели (ССМ). Это расхождение результатов эксперимента и теории составило суть широко известной проблемы солнечных нейтрино, которая не давала покоя физикам более 30-ти лет. Для обеспечения лидирующего положения отечественных ученых в этой области исследований государством были выделены средства для создания в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) подземного нейтринного телескопа с галлиевой мишенью, чувствительной к солнечным нейтрино, поток которых жестко связан с излучаемой Солнцем энергией. БНО находится на Северном Кавказе в ущелье реки Баксан, примерно в 25 километрах от подножия горы Эльбрус. Лаборатория с галлий-германиевым нейтринным телескопом расположена глубоко под землей в недрах горы Андырчи, куда ведут два 4-километровых тоннеля. Телескоп расположен под 2-километровой толщей горных пород. Подземное размещение телескопа позволяет практически исключить попадание в него любых космических частиц, кроме нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом и легко проходят сквозь земной шар.

Измерение интенсивности нейтринного излучения от Солнца возможно благодаря тому, что нейтрино очень слабо, но все же взаимодействуют с некоторыми элементами. Так, при взаимодействии с галлием за время экспозиции 30 суток в 50-ти тоннах галлия, находящегося в телескопе БНО, образуется около 15 атомов германия. Без преувеличения можно назвать выдающимся достижением то, что ученые создали технологию выделения и регистрации этих атомов, и то, что они сумели достаточно точно предсказать вероятность взаимодействия нейтрино с галлием. Однако для подтверждения теоретических оценок и их уточнения требуется экспериментальная проверка эффективности галлиево-го телескопа с использованием искусственного источника нейтрино известной интенсивности.

Работы по созданию искусственного источника нейтрино проводились в рамках проекта МНТЦ, в котором участвовали Институт ядерных исследований Российской академии наук (ведущая организация), ОКБМ, ФЭИ, Белоярская АЭС, ИРМ. В качестве коллабо-рантов выступили отделы физики и астрономии Пенсильванского университета и университета имени Вашингтона США и Научно-исследовательский нейтринный центр университета Тохоку, Япония.

В основу проекта положена следующая идея. При облучении кальция в спектре быстрых нейтронов происходит образование аргона-37, который в процессе радиоактивного распада испускает нейтрино с энергией, соответствующей средней части спектра солнечных нейтрино. Путем измерения ионизирующего излучения аргона-37, выделенно го из кальция и заключенного в капсулу, можно с высокой точностью определить и интенсивность нейтринного излучения, создаваемого таким источником. При размещении источника внутри галлий-германиевого телескопа можно измерить скорость регистрации нейтрино и определить таким образом его эффективность. Такая процедура была названа калибровочным экспериментом.

После проведения экспериментальных и расчетных работ по определению возможности получения в реакторе БН-600 арпша-37 необходимой активности в 1999 году было подготовлено "Предварительное обоснование безопасности получения изотопа аргона-37 в реакторе БН-600", которое положило начало практическим работам но созданию источника нейтрино. В 2001 году разработан технический проект сборки реактора БН-600, содержащей оксид кальция.

В 2002-2003 гг. проводилось облучение в реакторе БН-600 двух экспериментальных сборок с оксидом кальция. После облучения в реакторе в течение двух недель была проведена отработка технологии изготовления источника, включающая разделку сборок на Белоярской АЭС, передачу ампул с оксидом кальция в ИРМ, выделение в ИРМ аргона с использованием химических методов растворения оксида кальция, закачку аргона в капсулу.

В 2003-2004 гг. в реакторе БН-600 были облучены 19 сборок с оксидом кальция. Для сохранения максимально возможной активности аргона-37, имеющего период полураспада 35 дней, важно было провести переработку облученных сборок и изготовить источник в максимально короткий срок. Благодаря самоотверженной работе специалистов Белоярской АЭС и ИРМ на этом этапе был достигнут результат: в конце апреля 2004 года, через две недели после остановки реактора, был изготовлен источник нейтрино интенсивностью более 400 кКи.

29 апреля 2004 года специальным авиарейсом источник в защитном контейнере был доставлен в аэропорт Минеральные Воды, откуда был перевезен на специально подготовленном грузовом автомобиле в БНО. 30 апреля в 4 часа утра источник был помещен непосредственно в галлиевый телескоп для проведения калибровочного эксперимента. Созданный источник обеспечил ноток нейтрино в галлиевом телескопе, приблизительно в 50 раз превышающий поток солнечных нейтрино. К настоящему моменту эксперименты с источником в БНО завершены и результаты обработаны. Выполненная работа получила высокую оценку в Российской академии наук и Федеральном агентстве по атомной энергии.

Галлиевые солнечные эксперименты показали дефицит нейтрино от основных реакций, которые определяют выделение энергии в Солнце, и таким образом твердо указали, что решение проблемы солнечных нейтрино необходимо искать не в физике Солнца, а в физике нейтрино, т.е. физике элементарных частиц.

Последнее десятилетие стало триумфом солнечных нейтринных исследований, приведших к открытию фундаментального явления - нейтринные осцилляции - свойство нейтрино менять свой аромат. Это говорит о существовании у нейтрино массы и рассматривается в настоящее время как бесспорное указание на проявление новой физики. В настоящее время в мире идет интенсивное развитие исследований фундаментальных свойств нейтрино и процессов, протекающих в центре Солнца, результаты которых могут оказать существенное влияние на дальнейшее развитие человеческой цивилизации. Тесное сотрудничество институтов Агентства по атомной энергии и Института ядерных исследований Академии наук России вносит значительный вклад в эти исследования.

В. БАРСАНОВ, ИРМ,

Б. ВАСИЛЬЕВ, ФГУП "ОКБМ",

В. ГАВРИН, ИЯИ РАН,

Н. ОШКАНОВ, БелАЭС,

Ю. ХОМЯКОВ, ГНЦ РФ-ФЭИ