27 августа 2008 года. Байкальский нейтринный телескоп
Среди элементарных частиц, из которых слагается этот мир, есть такая частица, как нейтрино - нейтральная фундаментальная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, относящаяся к классу лептонов. На мой взгляд, это одна из самых таинственных и загадочных частиц; кроме того, на нее завязано слишком многое… История открытия этой частицы также интересна. В 1930х годах одной из загадок была проблема бета-распада, в котором удивительным образом не выполнялся закон сохранения энергии. Чтобы спасти закон, Вольфганг Паули ввел новую частицу – нейтрино – которая должна была уносить энергию (ради чего она и была введена), но которая бы чрезвычайно слабо реагировала с веществом (иначе ее давно бы уже обнаружили). Так в 1933 году теоретики заявили о существовании нейтрино. Однако экспериментально она была открыта лишь десятки лет спустя…
Особенность нейтрино заключается в ее чрезвычайно слабом взаимодействии с веществом. Так, чтобы ослабить пучок солнечных нейтрино, необходимо было бы поставить свинцовую стенку толщиной от Солнца до границ Солнечной системы и дальше! Каждую секунду через площадку в 1 см2 проходит около 60 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем. Однако никакого воздействия на тело человека они не оказывают; более того, сама планета Земля для них – пустой звук, и нейтрино пролетают всю планету, даже не заметив ее. Зарегистрировать такие частицы почти невозможно! Почти – потому что нейтрино все-таки реагируют, и если мы будем ждать достаточно долго, то сможем зарегистрировать одно-два взаимодействия. Но для это нужна специальная техника.
Такая техника была создана, и называется она нейтринными обсерваториями. Только такие обсерватории вовсе непохожи на те, к которым мы привыкли – оптическим… Устройство нейтринных телескопов следующее. Во-первых, так как нейтрино все равно пролетает насквозь Землю, а другие частицы могут помешать наблюдениям, нейтринные обсерватории строят в штольнях гор, защищенные километрами горных пород. Во-вторых, берут как можно больше – десятки тонн! – вещества, с которым нейтрино взаимодействуют более охотно. Так был устроен первый из экспериментов Дэвиса, начатый в 1955 году. Гигантский резервуар, наполненный жидким перхлорэтилентом, имеет объем около 400 кубометров. Установка расположена на дне глубокой старой шахты, пробитой в скальном грунте. Глубина шахты превышает 1,5 километра. Из-за облучения солнечными нейтрино на протяжении месяца в басссейне образуется всего лишь несколько десятков ядер радиоактивного изотопа Аргон-37! Это ничтожное количество аргона-37 удается выделить из бассейна путем продувания его гелием. Вся эта процедура сопряжена с серьезными экспериментальными трудностями. Учитывая фундаментальный характер роли нейтрино в современной физике, после этого эксперимента появилась целая наука! – нейтринная астрономия. В настоящее время существует порядка десятка нейтринных обсерваторий, устроенных на разных принципах работы и взаимно дополняющих своими результатами друг друга. Так, в Японии существуют обсерватории Камиоканде и Суперкамиоканде. Суперкамиоканде размещен на глубине в 1000 метров в цинковой шахте Камиока, его строительство было завершено в 1996 году. Детектор Суперкамиоканде представляет собой резервуар из нержавающей стали, заполненный 50 тысячами тоннами специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11146 фотоумножителей. Детектор оснащен огромным количеством электроники, компьютеров, калибровочных устройств, оборудованием для очистки воды. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс. В России тоже есть нейтринная обсерватория, она называется Баксанской и располагается в предгорьях Эльбруса, Кабардино-Балкария. Подземные сооружения обсерватории находятся в двух тоннелях длиной 3670 метров под горой Андырчи. Баксанская обсерватория располагает следующими установками: подземный сцинтилляционный телескоп объемом 3000 м3 на глубине 300 метров под поверхностью, галлий-германиевый нейтринный телескоп – радиохимический детектор солнечных нейтрино с мишенью из металлического галлия массой 60 тонн, а также комплексы наземных установок для исследования космических лучей и широких атмосферных ливней.
Однако время идет, и в 2000х годах появились проекты нейтринных телескопов нового поколения. Количество зарегистрированных нейтрино естественным образом зависит от количества рабочего материала-реагента. На Баксанской обсерватории 3 тысячи кубометров материала, Суперкамиоканде – 50 тысяч. А можно ли сделать больше? Оказывается, можно! – идея нейтринных обсерваторий нового поколения заключается в том, чтобы в качестве рабочего тела-реагента использовать естественный, природный резервуар, затем нашпиговать его электронными приемниками-фотоумножителями, и на основе поступающей информации измерить, как нейтрино реагируют с этим природным резервуаром. Нейтринными телескопами этого поколения являются проект «Антарес», где в качестве резервуара воды используются воды Средиземного моря, а также проект IceCub, реализуемый во льдах Антарктиды. Это, пожалуй, самый амбициозный из проектов нейтринной астрономии – во льдах Антарктиды на станции Амундсен-Скотт на глубине от 1450 до 2450 метров помещены прочные нити с прикрепленными оптическими фотоумножителями. Оптическая система регистрирует черенковское излучение частиц, движущихся в направлении из-под земли. Общий объем использующегося в проекте вещества-реагента достигает 1 кубического километра льда! Первые нейтринные события уже зарегистрированы, ныне это самый мощный нейтринный телескоп мира.
Известен анекдот: в то время как американцы во время полетов в космос тратили миллиарды долларов на изобретение космической авторучки (обычная шариковая в условиях независимости не писала), русские космонавты писали карандашом :-). Баксанская обсерватория была построена еще в советские времена, ныне фундаментальной науке таких денег не найти… И тогда русские придумали гениальный ход! – чем бурить скважины во льдах Антарктиды и углубялться в глубокие шахты, почему бы не использовать в качестве рабочего тела-реагента резервуар чистой воды? Именно так был организован проект «Антарес» в Средиземном море, но может, что-то подобное найдется и в России? Тех.задание таково: резервуар должен быть большим по площади, глубоким, а также сверхчистым. И такой резервуар был найден: да это же Байкал! Нейтринный телескоп был построен в 1980х годах. Он состоит из двух сотен светочувствительных фотоумножителей, закрепленных на восьми тросах и спущенных в воду южного Байкала на глубину больше километра. Сигналы от фотоумножителей уходят по проложенным по дну кабелям на берег, где располагается Центр управления, приема и обработки данных телескопа. Нейтрино регистрируются раз в двое суток. В настоящее время эффективный размер телескопа планируется значительно увеличить, и речь идет уже о проекте НТ-200+.
Все это я, собстввенно, знал и раньше, поэтому какой же восторг я испытал, когда увидел нейтринный телескоп собственными глазами! И я там был, я его видел!! Правда, не сам телескоп – его фотоумножители находятся на глубине больше километра, и на поверхность их вытаскивают лишь зимой, когда Байкал покрывается льдом, и можно прорубить полыньи и вытащить приборы для ремонта. Однако на берегу располагается лаборатория нейтринной обсерватории. И я ее видел!! Круто!!!
Список использованных источников:
http://nuclphys.sinp.msu.ru/neutrino/newtrino_s/baik.htm - реферат Вохмянина К. с сайта "Ядерная физика в Интернете"
http://old.astronomer.ru/news.php?action=1&nid=423 - с сайта "Астрономия и телескопостроения"
http://www.youtube.com/watch?v=h-5gVPTw20A - замечательный фильм
© Кирилл Кравченко, http://kirill-kravchenko.narod.ru/
