Спасибо, что вы с нами!

Поселок Нейтрино, Земля, Млечный путь

Как ученые Баксанской нейтринной обсерватории изучают самые загадочные частицы

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.
Добавить в закладки
Комментарии
...
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.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы