Мить метаморфози

Учені Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН) заявили, що їм удалося розгадати загадку, яка давно цікавить фізиків, — яким чином елементарні частинки нейтрино можуть перетворюватися з одного типу на інший на шляху від Сонця до Землі. Перше пряме спостереження цього явища стало можливим завдяки масштабному міжнародному проекту OPERA.

Співавторами такого важливого наукового результату поряд із фахівцями з багатьох європейських країн можна назвати колективи Інституту сцинтиляційних матеріалів НТК «Монокристалреактив» НАН України та Об’єднаного інституту ядерних досліджень (Дубна, Росія). У конструкцію детекторів, яким удалося піймати мить перетворення так званого мюонного нейтрино на тау-нейтрино, входять сцинтилятори, розроблені й виготовлені харківськими фахівцями.

Пастка для нейтрино-хамелеона

Нейтрино — це нейтральні елементарні частинки, які дуже слабко взаємодіють із речовиною. Приміром, у своєму польоті від Сонця вони пролітають крізь нашу планету, навіть не «помітивши» перешкоди.

Народжуються унаслідок певних типів ядерних розпадів і діляться на три типи — електронні, мюонні й тау-нейтрино. Розгадати їхню загадку вчені намагалися давно, починаючи з досліджень та експерименту американця Рея Дейвіса (початок 1960-х), відзначеного за цю роботу Нобелівською премією. Дейвіс спостерігав набагато менше нейтрино, що досягають Землі від Сонця, ніж прогнозували сонячні моделі. Фізик дійшов висновку: або сонячні моделі були неправильні, або щось відбувалося з нейтрино на шляху до Землі.

Існувала гіпотеза про те, що різні типи нейтрино здатні перетворюватися одне на одного, однак прямо спостерігати цей процес ученим не вдавалося. Недарма нобелівський лауреат Віталій Гінзбург, складаючи в різні роки свої знамениті списки наукових проблем, які він уважав на той час особливо важливими та цікавими, щораз вносив у них тему «Нейтринна фізика та астрономія. Нейтринні осциляції».

І от уперше хамелеоноподібний нейтрино був пійманий у момент зміни від мюонного до тау-типу.

Спроб піймати й дослідити нейтрино вживали й уживають у різних міжнародних експериментах. OPERA, на який пішло сім років підготовки, — тільки один із них. Починаючи з 2006 року мільярди мільярдів мюон-нейтрино посилали із суперпротонного прискорювача ЦЕРН у Італію, у підземну лабораторію Гран Сассо, де вони потрапляли на детектори, проходили крізь них і летіли далі.

Для подолання 730 кілометрів цим частинкам досить лише 2,4 мілісекунди. Дуже слабка взаємодія з речовиною й рідкість метаморфоз нейтрино роблять експерименти надзвичайно складними. Приміром, для виключення впливу космічних променів лабораторію треба було розташувати на півторакілометровій глибині — під горою, у бічних залах автомобільного тунелю на дорозі Рим—Терамо. Непросто було й спрямувати промінь нейтрино із ЦЕРН точно в «яблучко» — у лабораторію Гран Сассо.

За весь час роботи на детектори потрапило шість тисяч мюонних нейтрино. І одне з них майже на очах учених перетворилося на тау-нейтрино, дозволивши їм засвідчити факт перетворення одного виду нейтрино на іншій.

Експеримент OPERA досяг своєї першої мети: виявлено тау-нейтрино, яке з’явилося від перетворення мюон-нейтрино. Фахівці мають намір і надалі провадити роботу для того, щоб виявити більше прикладів нейтринних осциляцій (перетворень) і визначити, чи відповідає їхня частота теоретичним прогнозам.

Раз «цеглинка», два «цеглинка»…

Прокоментувати результати унікального експерименту ми попросили директора Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України НТК «Інститут монокристалів», академіка НАНУ Бориса Гриньова.

— Борисе Вікторовичу, що являють собою детектори, які використовувалися в експерименті OPERA?

— Стінки детектора складаються з таких собі «цеглин», а ті — із багатьох шарів фотоемульсій і свинцю. Між «цеглинами» закладається так звана сис­тема цілевказування з різних детекторів-сцинтиляторів для того, щоб вимірювати параметри продуктів реакції. Нагадаю, що сцинтилятори — це середовища, у яких під дією випромінювання виникають світлові спалахи — сцинтиляції. Автоматика реєструє факт такого спалаху, оцінює, у якій саме з «цеглин» відбулася взаємодія, і її зі стінки виймають. Потім проявляють усі шари фотоемульсії, переглядають їх, вимірюють параметри сліду реакції на них і тільки після цього роблять остаточний висновок — яка саме частинка його залишила.

— Скільки ж у детекторі закладено таких «цеглин»?

— Загалом у експерименті задіяно 62 стінки з 206336 «цеглин», у кожній із яких — 57 шарів фотоемульсії. Перегляд однієї «цеглини» на найсучасніших комп’ютерах і спеціалізованому обладнанні триває десятки годин. А взагалі експериментальна установка — це величезна й складна споруда розмірами приблизно 10x10x100 метрів, яка вміщає кілька систем реєстрації для виявлення тау-лептона. Для того, щоб спіймати невловимого нейтрино, потрібна велика й густа сітка.

— У чому конкретно полягала участь в експерименті українських і російських учених?

— Для проекту OPERA в нашому інституті виготовили понад 30000 стріпів-стрічок зі сцинтиляційного полістиролу (довжиною 7 м, товщиною 1 см і шириною 2,6 см). Разом із колегами з Дубни ми здійснювали розрахунки й моделювання установки, виготовляли реєструвальні елементи системи цілевказування, складали модулі системи, перевіряли та встановлювали їх у Гран Сассо. Для цього експерименту потрібна була нова технологія виготовлення пластмасових сцинтиляторів, розроблена в нашому інституті в найкоротший термін. Загальноєвропейський конкурс показав її безперечну перевагу, і в результаті ІСМА НАНУ одержав це європейське замовлення. До речі, робота «Пластмасові сцинтилятори: розроблення технології­ одержання сенсорів іонізуючого випромінювання для електронного приладо­­будування» визнана гідною Державної премії України в галузі науки і техніки.

Хочу зауважити, що детектори — хоча й важлива, але тільки частина глобального проекту OPERA, що є колективною творчістю вчених багатьох країн. Цей успіх досягнуто завдяки завзятості, винахідливості та терпінню фізиків міжнародної спільноти.

— На цьому ваша участь у міжнародних проектах із дослідження нейтрино завершилася?

— Ні. Наступним міжнародним проектом, пов’язаним із дослідженням властивостей нейтрино, у якому братиме участь наш інститут, стане Super Nemo (Франція). Його мета — пошук так званого безнейтринного подвійного бета-розпаду — дуже рідкісного процесу ядерного розпаду. Якщо вдасться його виявити, фізики матимуть відповідь на ще одну загадку: чи є нейтрино майоранівською частинкою (тобто чи збігається її частинка й античастинка) чи ні? У рамках цього проекту ми ведемо дослідну роботу зі створення пластмасових і рідких сцинтиляторів, які мають високе енергетичне розрізнення й чутливість.

Вікно в нову науку

Зафіксувавши метаморфози нейтрино, експеримент OPERA не тільки дозволив зрозуміти, чому до нашої планети доходить набагато менше елементарних частинок, ніж передбачалося стандартною моделлю фізики. Це відкриття дуже важливе ще й тому, що вперше вчені на практиці довели існування феномена, який не укладається в цю модель. Може, нейтрино — це вікно в нову фізику?

— OPERA — не перший, але й зовсім не останній проект для полювання на нейтрино, — зауважує директор Лабора­торії ядерних проблем ОІЯД (Дубна, Росія) доктор фізико-математичних наук­ Олександр Ольшевський. — Попереду­ — пошук нейтрино від наднових зірок, вивчення атмосферних нейтринних аномалій, дослідження антинейтрино… Є ще одне надзвичайно цікаве завдання — виявити космічне нейтринне реліктове випромінювання, яке несе інформацію про Всесвіт лише через 1 секунду після початку його розширення. Для цього потрібні все нові й нові експерименти.

Що більше ми знатимемо про нейтрино,­ то ширше використовуватимемо цю частинку в різних галузях астрономії й техніки. Один із перспективних напрямів його використання — нейтринна астрономія. Приміром, нейтрино без поглинання проходять величезні відстані, що дозволяє виявляти й вивчати віддалені астрономічні об’єкти. Теоретично потоки нейтрино можуть бути також використані для створення засобів зв’язку. Можливо, придуманий фантастами нейтринний контакт із позаземною цивілізацією не такий уже й нереальний?

Практичне застосування частинок — нейтринна діагностика промислових ядерних реакторів, яка розвивається останнім часом. Сьогодні в Росії, Франції, Італії­ та інших країнах тривають роботи зі створення нейтринних детекторів, здатних у режимі реального часу ­вимірювати реакторний нейтринний спектр і тим самим контролювати як потужність реактора, так і композитний склад палива, у тому числі наробіток збройового плутонію.

Учені почали доглядати й інші «угіддя» для полювання за нейтри­но, крім земних. У стадії реалізації — кілька­ проектів із пошуку нейтрино за допомогою Місяця. Радіотелескопи, націлені на нього, повинні фіксувати короткі спалахи радіоімпульсів, що з’являються під час зіткнення невловимих частинок із безжиттєвою місячною поверхнею.­ ­Підходящим місцем може стати й укритий кригою супутник Юпітера Європа,­­ на поверхні якого є каменеподібний ма­теріал, який утворився внаслідок ­зіткнень із космічними тілами.

До речі

Хоча абревіатура OPERA розшифровується як Oscillation Project with Emulsiont Racking Apparatus, емблемою проекту є зображення оперного залу. Очевидно, це знак того, що реєстрація нейтрино відбувається в Італії — оперній столиці світу.