Поселок Нейтрино, Земля, Млечный путь

Как ученые Баксанской нейтринной обсерватории изучают самые загадочные частицы

Один из ярусов Баксанского подземного сцинтиляционного телескопа. Фото ИЯИ

Баксанская нейтринная обсерватория существует на Кавказе десятки лет и изучает, пожалуй, самые загадочные из известных элементарные частицы — нейтрино. «Чердак» выяснил, как устроена знаменитая обсерватория и каким образом работающие на ней ученые раскрывают тайны Вселенной.

Спасти законы физики

Нейтрино (не путать с нейтроном) — это очень-очень легкая частица, знаменитая тем, что она, можно сказать, еще более нейтральна, чем нейтрон. У нейтрино нет заряда, и они не взаимодействуют с заряженными частицами (например, электроном -1 и протоном +1), кроме того, в отличие от нейтрона, нейтрино не участвуют в сильных взаимодействиях — одном из четырех типов фундаментальных взаимодействий. Ежесекундно через каждый квадратный сантиметр нашего тела проходит  60 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем, а мы этого не чувствуем и не замечаем. И не только мы: большая часть солнечных нейтрино пролетят через всю видимую часть Вселенной, не взаимодействуя ни с чем.

Тем не менее пренебречь существованием этой частицы нельзя: она является активным участником ядерных реакций. В начале XX века ученые еще не знали о нейтрино, и при изучении бета-распада (распад с выделением электронов) у них не сходился «дебет с кредитом»: часть энергии «улетучивалась». Дошло до того, что сам Нильс Бор предположил, что один из фундаментальных законов Вселенной — закон сохранения энергии — неверен. Ситуацию спасли Вольфганг Паули и Энрико Ферми: они предположили существование (и возникновение при бета-распаде) пока неизвестной физикам частицы, которая уносит «исчезающую» энергию. Между предположением о нейтрино (1930 год) и его первым экспериментальным наблюдением (1942 год) прошло более 10 лет. И еще 40 лет понадобилось, чтобы дело дошло до Нобелевской премии: за открытие нейтрино ее получили в 1988 году Леон Ледерман, Мелвин Шварц и Джек Стейнбергер. Позже за нейтрино были вручены еще две Нобелевки, в том числе в 2015 году — узнать, за что именно ее вручили, можно в объяснительном тексте «Чердака».

Найти «невидимку»

Из-за особенностей этой частицы изучать ее чрезвычайно сложно: как поймать нейтрино, если они ни с чем не взаимодействуют и одновременно находятся в «каше» из десятков других частиц, бомбардирующих и Землю, и космос? Выделить эти частицы из всего потока более тяжелых и, соответственно, взаимодействующих с материей частиц и стало первой задачей физиков. Как этого добиться? «Спрятаться» от потока электронов, мюонов, протонов, альфа-частиц и более тяжелых ядер за каким-нибудь тяжелым природным щитом — подо льдами Антарктиды, под толщей вод океана или под горой?

Именно по последнему пути еще в конце 50-х годов прошлого века пошли советские физики, задумавшиеся о создании специализированного подземного комплекса для проведения фундаментальных исследований в области нейтринной астрофизики и физики космических лучей. Под руководством академика Моисея Маркова были выполнены теоретические расчеты, и начался поиск подходящих горных выработок, которые можно использовать, не прокладывая специальные тоннели. Это стандартный путь: например, итальянская нейтринная лаборатория под горами Гран-Сассо находится в ответвлении автомобильного тоннеля, связывающего адриатическое и тирренское побережья страны.

Вход в рабочую штольню Баксанской нейтринной обсерватории. Фото: ИЯИ


19 июня 1963 года было принято решение о строительстве подземной станции. Место для будущей обсерватории (нейтринные лаборатории называют обсерваториями потому, что они изучают частицы космических лучей, то есть именно наблюдают, а не ставят лабораторный эксперимент) было выбрано недалеко от горы Эльбрус, в Баксанском ущелье в Кабардино-Балкарии. Строительство началось в 1967 году. Исследовательский центр размещается в двух параллельных горизонтальных тоннелях в горе Андырчи (высота горы более 4000 м) длиной около 3,5 км каждый — они построены московскими метростроевцами из специального низкорадиоактивного бетона, чтобы излучение, даже минимальное, не вносило помехи в показания телескопов. Фон от космических лучей (тех самых «мешающих» частиц) снижается по мере углубления под землю, и в конце тоннеля он почти в 107 раз ниже, чем на поверхности.

БНО: вчера, сегодня, завтра

Работа Баксанской нейтринной обсерватории ведется в двух штольнях. В правой (вспомогательной) проложена узкоколейная железная дорога, по которой ходит электровоз с вагончиками. Левая штольня — рабочая, то есть главная. Между штольнями построены «залы», в которых размещается научное оборудование. В настоящее время работает лаборатория низкофоновых исследований и две крупные установки — галлий-германиевый нейтринный телескоп и подземный сцинтиляционный телескоп. Последний разделен на четыре этажа из-за своего огромного размера.
 
«У этих установок разные задачи — как у электромобиля и трамвая, которые, хоть и используют электричество, являются совсем разными видами транспорта, — говорит заместитель директора Института ядерных исследований РАН (организация, частью которой является Баксанская нейтринная обсерватория) Григорий Рубцов. — Галлий-германиевый телескоп «ловит» нейтрино от Солнца. В Солнце идут термоядерные реакции, в том числе так называемый протон-протонный цикл, в ходе которого водород превращается в гелий и выделяется основная часть энергии. В этой реакции образуются нейтрино относительно невысокой энергии, не более 0,6 мега-электрон-вольт (МэВ). Солнечные нейтрино «бомбардируют» галлий в детекторе, и он превращается в германий в реакции, обратной по отношению к бета-распаду. Нейтрон плюс нейтрино образуют протон плюс электрон — так возникает новое ядро. Галлий-германиевый нейтринный телескоп имеет рекордно низкий порог регистрации: в реакции участвуют все нейтрино с энергией выше 0,223 МэВ».

Один из ярусов Баксанского подземного сцинтиляционного телескопа. Фото: ИЯИ


Примерно раз месяцев галлий достают, из него химически выделяют фракцию, содержащую значительную долю германия, а затем наблюдают за распадами и считают число образовавшихся атомов германия. Таким образом, наблюдение осуществляется не в реальном времени, а интегрально по месяцам, с помощью прецизионного радиохимического метода. Эксперимент очень точный и важный: именно он позволил подтвердить, что Солнце светит за счет термоядерной энергии.

В отличие от галлий-германиевого телескопа, Баксанский подземный сцинцилляционный телескоп (БПСТ) — эксперимент в реальном времени. «Он регистрирует нейтрино более высоких энергий, от 10 МэВ до ГэВ и выше, — уточняет Рубцов. — Нейтрино такой энергии имеют иное происхождение: они могут рождаются в атмосфере Земли при прохождении через нее космических частиц, возникать в результате каких-либо астрономических событий, например взрыва сверхновой. Кроме того, нейтрино могут образоваться в результате аннигиляции частиц темной материи в Солнце или Галактике или в результате новых физических взаимодействий. Детектор объемом три тысячи кубических метров регистрирует не сами «невидимые» нейтрино, а каскад частиц, который возникает при взаимодействии этих нейтрино с веществом в пределах детектора или вокруг него. Так, БПСТ зарегистрировал сигнал от взрыва сверхновой SN 1987A в диапазоне энергий 12—23 МэВ».
 
Работы по вводу научного оборудования в БНО не завершены: в конце 2008 года в дальнем конце штольни введена в строй низкофоновая лаборатория: дополнительно к толще горы и бетона камера лаборатории экранирована свинцом, полиэтиленом, борированным парафином, бескислородной медью и другими подобными материалами. Вводится в строй установка BEST, которая будет изучать нейтрино от искусственного источника — изотопа хрома-51, который распадается посредством электронного захвата. Источник поместят в центре двух концентрических сфер с 50 тоннами галлия (диаметр внешней сферы — около двух метров), и ученые смогут посчитать, сколько событий происходит во внешней и внутренней сферах. Наземная установка «Ковер» — тоже часть обсерватории, она регистрирует космические лучи высоких энергий.

В горах

Постоянный штат обсерватории живет в специально построенном при создании обсерватории поселке Нейтрино.

Вид на поселок Нейтрино. Фото: ИЯИ


Постоянное население поселка — около 600 человек. Он находится в долине реки Баксан и входит в Эльбрусский район с центром в городе Тырныаузе. Часть сотрудников живет в Тырныаузе, на работу (около 25 км) их возит служебный автобус. Многие сотрудники ИЯИ РАН и ГАИШ МГУ занимаются исследованиями в Баксанской нейтринной обсерватории, но работают в Москве, часто приезжая на Кавказ для проведения экспериментов. Благо, в последние несколько лет обстановка в этом районе спокойная.

Теги:

Читать еще на Чердаке: