Нейтринка

Александр Вехов| опубликовано в номере №1239, январь 1979
  • В закладки
  • Вставить в блог

Давно ли к снежным вершинам Альп, Кавказа и Памира физики несли в рюкзаках нехитрые приспособления для регистрации космических лучей – гейгеровские счетчики. В ту «романтическую», по выражению Гейзенберга, пору научные коллективы «космиков» не превышали нескольких человек, и каждый из них был сопричастен тайне: откуда пришли эти загадочные лучи, о которых безучастно однообразными щелчками сообщают приборы?

В горах, в удаленности от суеты городов, от застилающей небо копоти, через прозрачный холод ный воздух ночами лучше видишь глядящий на нас мириадами, глаз космос. И поневоле проникаешься его величием и загадочностью. Лишь теперь открываются нам единство всей природы, взаимосвязь событий во Вселенной и на Земле. Идеи, впервые научно обоснованные выдающимися русскими учеными Вернадским и Чижевским, привели к интересным, порой даже неожиданным открытиям. Например, среди при чин активности Солнца, влияющей, как теперь известно, на состояние биосферы, обнаружена зависиммость этой активности от группового положения планет. Никогда не иссякало стремление людей разобраться в неведомом. Вернадский относил его к отличительной особенности человеческого сознания, которому в конечном счете обязано все многообразие материальной и духовной культуры.

В наше время это стремление получило организованную форму выражения через научные исследования. Все меньше остается предметов познания, в которых можно разобраться, не сооружая хитроумные системы для проведения экспериментов. То же можно сказать и о современной физике космических лучей. Чтобы их удачно регистрировать, бесполезно лезть и на самые высокие горы. Большинство космических частиц задерживается еще в верхних слоях атмосферы. Есть, однако, и такие частицы, которые пропускает не только атмосфера, но даже и вся толща планеты: нейтрино. Лишь очень редко нейтрино может застрять в ядрах некоторых элементов. Нейтрино, как говорят физики, имеет малое сечение взаимодействия – меньше, чем у всех других элементарных частиц. Рождаясь в недрах звезд при термоядерных реакциях, нейтрино свободно проникает через огромные толщи звездной плазмы и продолжает свое движение со световой скоростью в просторах космоса. Потоки нейтрино несут «отпечаток» породивших их процессов. Нет пока у физиков никакой другой возможности заглянуть в недра звезд и нашего Солнца иначе, как «ощупать» потоки нейтрино. Только так можно понять прошлое, предугадать будущее нашего светила. Конечно, в любом случае люди не в состоянии вмешаться в деятельность Солнца, но... все то же их извечное стремление.

Конечно, об этом стремлении не говорят сплошь и рядом, однако оно подспудно заставляет вершить все обыденные дела. Те самые, из которых в конечном счете состоит физический эксперимент и его подготовка. А для нейтринных экспериментов они особенно громоздки: проведение таких опытов связано с постройкой огромных систем регистрации. В Советском Союзе эксперименты с космическими нейтрино реши ли вести на Северном Кавказе, где в Баксанском ущелье, немного ниже знаменитого горнолыжного курорта Терскол, у подножия горы Андырчи построена Нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Академии наук СССР.

С некоторыми из ее сотрудников я знаком еще по учебе на факультете теоретической и экспериментальной физики МИФИ. Когда приблизилось распределение, то на эту только начавшую строиться станцию первыми из нашего выпуска уехали Володя Тизенгаузен и Евгений Алексеев. Естественно, что, приезжая время от времени на Северный Кавказ, я заворачивал и к своим знакомым. Им было что рассказать не только о будущих проектах, но и о своих исследованиях, начавшихся задолго до пуска гигантских установок. Ждать никому не хотелось, параллельно с текущими заботами нетерпеливо стремились они установить свои приборы в тоннеле, прорытом всего метров на триста. Но этого уже оказалось достаточно, чтобы толща крутого склона Андырчи действовала для многих космических частиц, словно фильтр.

На первых порах предполагалось проверить один из ядерных процессов, обнаруженных итальянскими физиками при регистрации космических лучей в тоннеле под Монбланом, – так называемый Турин-эффект. Сутками посменно велись наблюдения, поздними вечерами проявлялись пленки, читались и разбирались научные статьи. Заходя в общежитие, я поневоле проникался этой обстановкой. Мне как привычному гостю да и просто из желания пообщаться рассказывали об этих измерениях, о житье-бытье. А оно, это житье-бытье, несмотря на вроде бы внешне одинаковые неудобства, протекало у каждого по-своему. Когда я оказывался у Володи Тизенгаузена, то уютная его комната, книги, радушная хлопотливая жена с маленьким сынишкой напоминали бы московскую квартиру, если бы не горные вершины за ее окнами. По всему было видно, что Володя устроился основательно и надолго, словно решившись взять в «осаду» исполнение будущих проектов. Но последнее впечатление скорее чисто внешнее – Володя, как, впрочем, почти все остальные, не ожидал затягивания сроков пуска станции. Он энергично отлаживал одну из вспомогательных установок – так называемый «Ковер», состоящий из четырехсот полуметровых счетчиков. Предназначался «Ковер» для регистрации ядерно-каскадных лавин, возникающих при столкновении высокоэнергетичных протонов с ядра ми атомов верхней атмосферы. Впрямую этот эксперимент не имел отношения к нейтрино, но косвенно – да. Дело в том, что на будущем телескопе собираются регистрировать не сами нейтрино, а те события, которые они вызывают, застревая в ядрах. Впрочем, пора сделать маленькое популярное отступление в область ядерной физики, а также по существу самого проекта нейтринной станции.

Как-то было обнаружено свойство нейтрино задерживаться в ядрах некоторых атомов. Эта задержка не проходит бесследно для ядра – один из его нейтро нов под действием нейтрино выбрасывает электрон и превращается в протон. Общий заряд ядра атома увеличивается на единицу, и он «соскальзывает» в соседнюю клеточку таблицы Менделеева, уже принадлежа к другому химическому сорту атомов. В качестве атомов – ловушек нейтрино советский академик Бруно Максимович Понтекорво предложил изотопы хлора-37. В этом случае «вылавливать» придется атомы инертного газа аргона-37. Но далеко не всякие нейтрино могут вызывать эту реакцию, а лишь нейтрино с энергией, превышающей 816 кило-электрон-вольт. Но это не единственное ограничение – большинство и таких нейтрино не зацепятся в атомах хлора. Чтобы увеличить вероятность этого процесса, в детекторе должно быть очень много хлора, скажем, сотни и даже тысячи тонн. А число родившихся атомов аргона-37 будет исчисляться десятками. Тонны атомов с одной стороны и поштучно атомы с другой – попробуй вытащи их из всей массы детектора.

Лишь через 10 лет после предложения Бруно Понтекорво американец Рей Дэвис соорудил хлор-аргоновый детектор для регистрации нейтринного потока из ядерного реактора. Он использовал 12 тонн перхлорэтилена, залитых в огромный герметичный бак. Туда ни в коем случае не должен был попадать атмосферный воздух – ведь в нем содержится около одного процента атомов аргона. Эти «конкуренты» могли «смазать» всю красивую картину регистрации нейтрино: тогда уже бесполезно разбираться, откуда взялся в детекторе атом аргона. Поэтому установку тщательно калибровали. Только после этого Рей Дэвис мог уверенно искать нейтрино от реактора. Но он их не нашел. Оказалось, что в реакторе образуются антинейтрино. Ученый, однако, не растерялся, а сумел организовать постройку нового, 600-тонного детектора для регистрации нейтринного потока от Солнца и упрятал его глубоко под землю в золотоносные шахты Южной Дакоты. Сделано это было, конечно, не для таинственности, а чтобы не мешали посторонние космические частицы. С 1968 года пошли многомесячные измерения. И что же? Дэвис не обнаружил должного нейтринного потока от Солнца, точнее, лишь одной его ветви – так называемой борной, на которую и был рассчитан детектор. Основная часть нейтринного потока от Солнца имела энергии меньше, чем мог регистрировать Дэвис. Но и этого оказалось достаточно, чтобы всполошились все астрофизики. Экспериментально был поставлен под сомнение термоядерный механизм «горения» звезд, предложенный еще в конце тридцатых годов Бете и с тех пор хорошо отработанный. Появились различные объяснения эксперимента Дэвиса, строились новые модели недр Солнца и других звезд. Но пока они могли оказаться преждевременными: все сходились во мнении, что нужно продолжать эксперименты и в первую очередь измерить солнечный нейтринный поток от главных реакций слияния протонов.

Постановку этих принципиальных нейтринных экспериментов советские физики готовили еще до нашумевших опытов Дэвиса. Так, например, в 1963 году в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР аспирант Вадим Кузьмин, работавший под руководством члена-корреспондента Георгия Тимофеевича Зацепина, предложил галлиевый детектор, пригодный для регистрации протонного потока солнечных нейтрино. Как и во многих других ядерных экспериментах, опыты требовали тщательных технических разработок: по расчетам, из 50 тонн жидкого галлия за короткое время после экспозиции нужно было выловить сотню атомов германия. Тогда же продумывали проект большого нейтринного телескопа, искали место для его размещения. Для успешной регистрации нейтрино, как и в опытах Дэвиса, было необходимо продумать систему защиты детекторов от посторонних воздействий из космоса и естественной радиации земных пород. Поэтому первое условие состояло в размещении всей аппаратуры в специальных камерах глубоко под землей. По ряду причин казалось удобнее делать не вертикальную штольню, а горизонтальный тоннель под какой-нибудь большой горой. Тоннель местами можно было бы расширить до залов, куда поместились бы проектируемые установ ки. Проект советских физиков предусматривал соору жение хлораргонового детектора емкостью в три тысячи тонн тетрахлорэтилена – в пять раз больше, чем в установке Дэвиса, затем галлиевого детектора, большого детектора для регистрации нейтрино от вспышек сверхновых звезд и сооружение большого нейтринного телескопа для изучения направленности звездных потоков нейтринно высоких энергий и мю-мезонов. Сейчас, при еще частичном завершении проекта, нейтринная станция уже ведет научные наблюдения. Более того, в какой-то степени она стала местом своеобразного паломничества советских и зарубеж ных астрофизиков. Гостей в первую очередь привлекало подземелье: большой нейтринный телескоп, первая заработавшая под горой установка из заду манных. Ее даже так сразу и не осмотришь – секционный дом в четыре этажа с лабораториями, пультом управления и вспомогательными помещениями в ис кусственном двадцатиметровом гроте на расстоянии полукилометра от входа в тоннель. Каждая секция – практически такой же «Ковер», как в ангаре у Володи Тизенгаузена.

Но и «Ковер» тоже привлекает внимание, причем не столько как макет одной восьмой части телескопа, сколько самостоятельно, как установка, на которой получены важные данные по физике частиц сверхвысоких энергий, недостижимых ни на каких ускорите лях.

Но вернемся снова к уже знакомым нам сотрудникам станции. На основе работы с «Ковром» Володя подготовил диссертацию, вокруг него сложилась не большая, но очень активная научная группа. Да и бытовые условия изменились. Как и большинство семейных сотрудников станции, он живет теперь в отдельной квартире в одном из благоустроенных домов, расположенных на высоком берегу Баксана, прямо напротив горы Андырчи. Не все, правда, в его «горной» жизни протекало гладко. Как-то он мне рассказывал, что несколько лет назад его сильно подмывало уехать. Уже и горы казались не столь красивыми и опыты однообразными... Да еще неопределенность: он не чувствовал в своих руках физической задачи – рядовые экспериментаторы больших коллективов легко могут понять это состояние. Но постепенно все устроилось, а работы его получили известность, так что и сам он стал ездить в командировки и к нему гости наезжают частенько. По призна нию Володи, в конечном счете он и другие его коллеги получили, что хотели, – настоящую работу.

Евгений Алексеев с первых дней пребывания на станции выделился своими организаторскими способностями. Возможно, здесь сказался больший жизненный опыт Алексеева – еще до поступления в МИФИ он работал на заводе. Руководство станции быстро оценило его выдержку, спокойствие, продуманность организационных решений, которые приходится принимать здесь почти каждому, и возложило на Евгения обязанности заместителя начальника обсерватории по научным вопросам. Евгений предельно загружен и научной и административной работой. Что поделаешь, любое сооружение, даже такая вроде пустяковина, как мостик или котельная центрального отопления корпусов, – все имеет прямое отношение к его повседневной деятельности. Приходится даже в выходные ею заниматься. Не будешь же сидеть сложа руки, если, например, с Андырчи грозит сползти снежная лавина. Евгений показал мне гильзу от снаряда, которым по его инициативе предотвратили накопление большой снежной массы на желобе склона. Застать Евгения в кабинете трудно, он целый день на ногах: то у отладчиков электроники на телескопе, то у строителей, то на вычислительном центре станции. ВЦ – очень важный объект и требует особого внимания, он оборудован новейшей электронной аппаратурой, которую осваивают выпускники различных вузов страны. А на станции их все больше привлекает перспектива фундаментальных физических задач, «живая» работа. С одним из них – Юрой Андреевым, выпускником Московского физико-технического института, – меня познакомил Евгений, когда показывал пультовую большого телескопа, Юра работал на вычислительной машине с дисплеем. К этой машине, точнее к ее входному блоку – годоскопу, со всех детекторов жгутами тянутся кабели. Здесь происходит первичная обработка тысяч сигналов. Программу для машины, на которой работает Юра, составляет выпускница Ростовского университета Елена Петрова. В работе Елена – сама серьезность, потому что знает: только ЭВМ способна разобраться в показаниях трех с лишним тысяч детекторов телескопа. Данные сюда поступают круглосуточно. Лена сейчас осваивает новую вычислительную маши ну, в чем ей помогают опытные программисты. На станции создана такая атмосфера благожелательности, квалифицированной помощи и участия, что лю бой научный сотрудник, чем бы ему порой ни приходи лось заниматься, чувствует себя на переднем крае астрофизики, на «пороге неизвестного». И «виной» тому любимая «нейтринка», в верности которой не однажды признавались мои знакомые астрофизики.

  • В закладки
  • Вставить в блог
Представьтесь Facebook Google Twitter или зарегистрируйтесь, чтобы участвовать в обсуждении.

В 8-м номере читайте о судьбе «русского принца Гамлета» -  императора Павла I, о жизни и творчестве Аркадия Гайдара, о резком, дерзком, эпатажном, не признававшем никаких авторитетов и ценившем лишь свой талант французском художнике Гюставе Курбе,  о первой женщине-машинисте локомотива Герое Социалистического Труда. Елене Чухнюк, беседу нашего корреспондента с певцом Стасом Пьехой, новый детектив Андрея Дышева «Жизнь на кончиках пальцев» и многое другое

Виджет Архива Смены