Миг метаморфозы

Ученые Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) заявили, что им удалось разгадать давно мучающую физиков загадку — каким образом элементарные частицы нейтрино могут превращаться из одного типа в другой по пути от Солнца к Земле. Первое прямое наблюдение этого явления стало возможным благодаря масштабному международному проекту OPERA.

Соавторами столь важного научного результата наряду со специалистами из многих европейских стран можно назвать коллективы Института сцинтилляционных материалов НТК «Монокристаллреактив» НАН Украины и Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия). В конструкцию детекторов, которым удалось поймать миг превращения так называемого мюонного нейтрино в тау-нейтрино, входят сцинтилляторы, разработанные и произведенные харьковскими специалистами.

Ловушка для нейтрино-хамелеона

Нейтрино — это нейтральные элементарные частицы, очень слабо взаимодействующие с веществом. К примеру, в своем полете от Солнца они пронзают нашу планету насквозь, даже не «заметив» преграды.

Рождаются в результате определенных типов ядерных распадов и делятся на три типа — электронные, мюонные и тау-нейтрино. Разгадать их загадку ученые пытались давно, начиная с исследований и эксперимента американца Рея Дэйвиса (начало 1960-х), удостоенного за эту работу Нобелевской премии. Дейвис наблюдал гораздо меньше нейтрино, достигающих Земли от Солнца, чем предсказывали солнечные модели. Физик сделал вывод: или солнечные модели были неправильны, или что-то происходило с нейтрино в пути.

Существовала гипотеза о том, что различные типы нейтрино способны превращаться друг в друга, однако напрямую наблюдать этот процесс ученым не удавалось. Недаром нобелевский лауреат Виталий Гинзбург, составляя в разные годы свои знаменитые списки научных проблем, представляющихся ему на тот момент особенно важными и интересными, каждый раз вносил в них тему «Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции».

И вот впервые хамелеоноподобный нейтрино был пойман в момент изменения от мюонного типа к тау-типу.

Попытки поймать и исследовать нейтрино предпринимались и предпринимаются в различных международных экспериментах. OPERA, потребовавший семи лет подготовки,   — только один из них. Начиная с 2006 года миллиарды миллиардов мюон-нейтрино посылались из суперпротонного ускорителя ЦЕРН в Италию, в подземную лабораторию Гран Сассо, где они попадали на детекторы, пронзали их и летели дальше.

Для преодоления 730 километров этим частичкам достаточно всего 2,4 миллисекунды. Очень слабое взаимодействие с веществом и редкость метаморфоз нейтрино делают эксперименты чрезвычайно сложными. К примеру, для исключения влияния космических лучей лабораторию нужно было расположить на полуторакилометровой глубине — под горой, в боковых залах автомобильного туннеля на дороге Рим — Терамо. Непросто было и направить луч нейтрино из ЦЕРНа точно в «яблочко» — в лабораторию Гран Сассо.

За все время работы на детекторы попало шесть тысяч мюонных нейтрино. И одно из них почти на глазах ученых превратилось в тау-нейтрино, позволив им тем самым засвидетельствовать факт превращения одного вида нейтрино в другой.

Эксперимент OPERA достиг своей первой цели: обнаружено тау-нейтрино, появившееся от преобразования мюон-нейтрино. Специалисты намерены продолжить работу для того, чтобы обнаружить больше примеров нейтринных осцилляций (преобразований) и определить, соответствует ли их частота теоретическим предсказаниям.

Раз «кирпичик», два «кирпичик»…

Прокомментировать результаты уникального эксперимента мы попросили директора Института сцинтилляционных материалов НАН Украины НТК «Институт монокристаллов», академика НАНУ Бориса Гринева.

— Борис Викторович, что представляют собой детекторы, которые использовались в эксперименте OPERA?

— Стенки детектора складываются из своего рода «кирпичей», которые состоят из многих слоев фотоэмульсий и свинца. Между «кирпичами» закладывается так называемая система целеуказания из разных детекторов-сцинтилляторов для того, чтобы измерять параметры образующихся продуктов реакции. Напомню, что сцинтилляторы — это среды, в которых под действием излучения возникают световые вспышки — сцинтилляции. Автоматика регистрирует факт такой вспышки, оценивает, в каком именно из «кирпичей» произошло взаимодействие, и его из стенки вынимают. Затем проявляют все слои фотоэмульсии, просматривают их, измеряют параметры оставленного на них следа реакции и только после этого делают окончательный вывод — какая именно частица его оставила.

— Сколько же в детекторе заложено таких «кирпичей»?

— Всего в эксперименте задействовано 62 стенки из 206336 «кирпичей», в каждом из которых — 57 слоев фотоэмульсии. Просмотр одного «кирпича» на самых современных компьютерах и специализированном оборудовании занимает десятки часов. А вообще экспериментальная установка — это огромное и сложное со­оружение размерами примерно 10x10x100 метров, вмещающее несколько систем регистрации для обнаружения тау-лептона. Для ловли неуловимого нейтрино нужна большая и густая сеть.

— В чем конкретно заключалось участие в эксперименте украинских и российских ученых?

— Для проекта OPERA в нашем институте изготовили более 30000 стрипов-лент из сцинтилляционного полистирола (длиной 7 м, толщиной 1 см и шириной 2,6 см). Совместно с коллегами из Дубны мы осуществляли расчеты и моделирование установки, изготавливали регистрирующие элементы системы целеуказания, собирали модули системы, проверяли и устанавливали их в Гран Сассо. Для этого эксперимента потребовалась новая технология изготовления пластмассовых сцинтилляторов, которая была разработана в нашем институте в кратчайшие сроки. Общеевропейский конкурс показал ее несомненное преимущество, и в результате ИСМА НАНУ получил этот европейский заказ. Кстати сказать, работа «Пластмассовые сцинтилляторы: разработка технологии получения сенсоров ионизирующих излучений для электронного приборостроения» удостоена Государственной премии Украины в области науки и техники.

Хочу подчеркнуть, что детекторы — хотя и важная, но только часть глобального проекта OPERA, который является коллективным творчеством ученых многих стран. Этот успех достигнут благодаря упорству, изобретательности и терпению физиков международного сообщества.

— На этом ваше участие в международных проектах по исследованию нейтрино завершилось?

— Нет. Следующим международным проектом, связанным с исследованием свойств нейтрино, в котором будет участвовать наш институт, станет Super Nemo (Франция). Его цель — поиск так называемого безнейтринного двойного бета-распада — очень редкого процесса ядерного распада. Если удастся его обнаружить, физики получат ответ на еще одну загадку: является ли нейтрино майорановской частицей (то есть совпадает ли ее частица и античастица) или нет? В рамках этого проекта мы ведем исследовательскую работу по созданию пластмассовых и жидких сцинтилляторов, обладающих высокими энергетическим разрешением и чувствительностью.

Окно в новую науку

Зафиксировав метаморфозы нейтрино, эксперимент OPERA не только позволил понять, почему до нашей планеты доходит гораздо меньше элементарных частиц, чем предусматривалось стандартной моделью физики. Это открытие очень важно еще и потому, что впервые ученые на практике доказали существование феномена, который не укладывается в эту модель. Может быть, нейтрино — это окно в новую физику?

— OPERA — не первый, но и далеко не последний проект для охоты за нейтрино, — подчеркивает директор Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ (Дубна, Россия) доктор физико-математических наук Александр Ольшевский. — Впереди — поиск нейтрино от сверхновых звезд, изучение атмосферных нейтринных аномалий, исследование антинейтрино… Есть еще одна чрезвычайно интересная задача — обнаружить космическое нейтринное реликтовое излучение, которое несет информацию о Вселенной спустя всего 1 секунду после начала ее расширения. Для этого нужны новые и новые эксперименты.

Чем больше мы узнаем о нейтрино, тем шире можно будет использовать эту частицу в разных отраслях астрономии и техники. Одно из перспективных направлений его использования — нейтринная астрономия. К примеру, нейтрино без поглощения проходят огромные расстояния, что позволяет обнаруживать и изучать удаленные астрономические объекты. Теоретически потоки нейтрино могут быть также использованы для создания средств связи. Возможно, придуманный фантастами нейтринный контакт с внеземной цивилизацией не так уж нереален?

Практическое применение частиц — развиваемая в последнее время нейтринная диагностика промышленных ядерных реакторов. Сегодня в России, Франции, Италии и других странах ведутся работы по созданию нейтринных детекторов, способных в режиме реального времени измерять реакторный нейтринный спектр и тем самым контролировать как мощность реактора, так и композитный состав топлива, включая наработку оружейного плутония.

Ученые начали присматривать и другие «угодья» для охоты за нейтрино, помимо земных. В стадии реализации — несколько проектов по поиску нейтрино с помощью Луны. Радиотелескопы, нацеленные на нее, должны фиксировать короткие вспышки радиоимпульсов, появляющиеся при столк­новении неуловимых частиц с безжизненной лунной поверхностью. Подходящим местом может стать и покрытый льдом спутник Юпитера Европа, на поверхности которого имеется камневидный материал, образовавшийся в результате столкновений с космическими телами.

Кстати

Хотя аббревиатура OPERA расшифровывается как Oscillation Project with Emulsiont Racking Apparatus, эмблемой проекта является изображение оперного зала. По-видимому, это знак того, что регистрация нейтрино происходит в Италии — оперной столице мира.