Альманах «ЭВРИКА»

Часть  5     ПРАВОЕ И ЛЕВОЕ В МИРЕ АТОМОВ 

ЛОВУШКА ДЛЯ НЕЙТРИНО

Представьте себе совершенно фантастическую картину. Глубина — пять тысяч метров. Царство вечной темноты. Почти ничего живого. И вдруг со дна поднимается целый лес гигантских кабелей более полутора километров. На них колеблются приборы. Изредка то там, то здесь слабо блеснет луч света, и снова темнота. Так будет выглядеть в натуре глубоководная установка для регистрации одной из самых удивительных и загадочных частиц микромира — нейтрино. Над проектами таких «приборов» сейчас работают ученые многих стран мира. Вот что рассказал научный руководитель этой программы в СССР академик-секретарь отделения ядерной физики Академии наук СССР М. Марков.

Специфическим свойством нейтрино, выделяющим эту частицу среди других представителей микромира, является ее исключительно слабое взаимодействие с окружающим нас веществом. Для нее практически прозрачны Земля, Солнце и вся современная Вселенная. Мчась со скоростью света — 300 тысяч километров в секунду,— она пронзает галактики, звезды, туманности.

Большинство термоядерных реакций на ранних стадиях эволюции Вселенной и в недрах звезд сопровождается испусканием нейтрино. Поэтому в мире идет постоянное накопление этих частиц. Мы с вами буквально купаемся в потоке нейтрино, в самых разных  точках  и  объектах Вселенной.

Нейтрино несут в себе информацию обо всей истории развития современных форм вещества Вселенной. Освоение этого бесценного источника сведений об окружающем нас мире представляет собой одну из центральных задач современной астрофизики.

Первые практические шаги начали делаться в 60-е годы. Американским физиком Р. Дэвисом был создан нейтринный детектор, работающий на основе метода, предложенного академиком Б. Понтекорво.

Установленный на глубине около полутора километров под землей, детектор регистрирует нейтрино, которые образуются в результате термоядерных реакций, протекающих в недрах Солнца.

Результаты этого эксперимента заставили по-новому посмотреть на многие сложившиеся представления о строении солнечных недр. Сейчас в Брукхевенской национальной лаборатории (США) и в Институте ядерных исследований Академии наук СССР готовится к работе другой детектор, который позволит измерить интенсивность   потока   нейтрино  более   низких энергий и проверить предположения, составляющие основу современных представлений о строении и эволюции Солнца.

За последние 20 лет в значительной степени благодаря работам, выполненным на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ АН СССР, в природном потоке приходящих на Землю нейтрино появились первые освоенные островки. В настоящее время развитие техники позволит исследовать частицы более высоких энергий. Это даст возможность, с одной стороны, регистрировать поток нейтрино, образовавшихся в бурную эпоху формирования галактик и звезд, которая удалена от нас более чем на 10 миллиардов лет. Изучение сохранившихся с тех пор нейтрино даст уникальную возможность получения «непосредственно от живых свидетелей» информации о младенческом периоде жизни галактик.

С другой стороны, нейтрино представляют огромный интерес с точки зрения изучения свойств микромира. В природном потоке нейтрино содержатся частицы столь высоких энергий, которые не будут получены на ускорителях даже в отдаленном будущем. Если мы научимся использовать этот поток нейтрино, то сможем лучше понимать структуру элементарных частиц, их «характер».

Проблему регистрации нейтрино высоких энергий мы впервые начали обсуждать в конце 50-х годов. Тогда родилась идея использовать огромные объемы воды в качестве мишени для частиц. Принципиальные достоинства такого подхода очевидны.

Устанавливая аппаратуру глубоко под водой, мы можем устранить или по крайней мере значительно снизить уровень помех, создаваемых другими приходящими на Землю частицами космического излучения.

Как ни мала вероятность взаимодействия нейтрино с веществом, все же она отлична от нуля. В очень редких случаях нейтрино сталкивается с протоном — ядром атома водорода или частицами, входящими в состав ядра атома кислорода. При столкновении рождаются заряженные частицы, которые уже можно «поймать». Двигаясь в воде со скоростью, близкой к световой, эти частицы будут испускать свет, который можно зарегистрировать. Зафиксировав его, мы сможем вычислить, какой энергией обладало нейтрино,   откуда   оно   к   нам   прилетело.

Свечение будет фиксироваться с помощью установленных в воде на тросах чувствительных светоприемников. Полученная информация по кабельным линиям связи пойдет на береговой - центр приема и обработки данных. Предполагается, что первые установки будут содержать несколько тысяч светоловушек и занимать объем, близкий к кубическому километру.

По виду этот подводный лес будет запоминать пчелиные соты со стенками длиной около километра. В каждой ячейке этих сотов будет содержаться свыше десяти тысяч тонн воды.

Но время идет, и у специалистов возникают новые идеи. Советские ученые Аскарьян, Б. Долгошеин и ученый из США Т. Боуэн предложили регистрировать акустический сигнал, чем-то напоминающий звук при откупоривании бутылки шампанского. Его издают заряженные частицы, образующиеся под действием нейтрино очень высоких энергий. Если этот метод получит путевку в жизнь, то регистрирующая аппретура окажется  проще и дешевле.

Если сама идея глубоководной регистрации мюонов и нейтрино обсуждается уже более двадцати лет, то первые фактические шаги начали делаться в -ССР, США и Японии лишь в самые последние годы. Американскими физиками разработаны проекты серии глубоководных детекторов, известных под названием ДЮМАНД. Название проекта образовано из первых букв английской фразы. В переводе — «глубоководная регистрация мюонов и нейтрино».

Детекторы предполагается установить в Тихом океане близ Гавайских островов на глубине около пяти километров. Проходят испытания первые образцы глубоководных светоприемников, разрабатываются специальные фотоэлектронные умножители высокой чувствительности, ведется исследование оптических свойств океанской воды. На базе Гавайского университета (США) создан специальный научный центр глубоководных исследований.

В Советском Союзе также ведутся исследования в этом направлении. Суда Академии наук СССР начали всестороннее обследование некоторых перспективных, с нашей точки зрения, районов Мирового океана. Начаты поисковые работы с целью создания новых типов высокочувствительных светоприемников.

Местом для проведения испытаний опытных образцов глубоководной аппаратуры и создания действующих прототипов больших океанских детекторов выбрано озеро Байкал. Учеными Института ядерных исследований АН СССР, работающими совместно со своими коллегами из университетов Москвы, Иркутска, Томска и институтов Сибирского отделения АН СССР, созданы и испытаны на Байкале на глубинах свыше одного километра первые образцы глубоководных светоприемников.

Выполняется широкая программа исследований интересующих нас свойств байкальской среды, готовятся к постановке первые глубоководные системы для регистрации мюонов космических лучей. Уникальные условия озера (глубина около полутора километров, высокая прозрачность воды, отсутствие сильных течений, наличие устойчивого ледяного покрова, позволяющего вести монтаж аппаратуры со льда) дают возможность создать здесь глубоководные системы размером вплоть до сотен миллионов кубических  метров.  Они  будут  не  только служить прообразами больших океанских детекторов, но и позволят провести на их основе широкий спектр исследований в области физики элементарных частиц и астрофизики.