кандидат физико-математических наук Игорь Сокальский
Зрители: эксперименты настоящего

Вот и подошёл к концу цикл „Вселенная: материя, пространство, время“. Последняя его статья посвящена физическим экспериментам настоящего. Описать даже сотую их часть на четырёх страницах — задача непосильная. Мы выбрали только несколько экспериментов из настоящего и совсем недавнего прошлого, которые были поставлены в рамках развития двух сюжетных линий современной физики, а именно физики солнечных нейтрино и физики космических лучей.

Плюнь тому в глаза, кто скажет, что можно обнять необъятное
Козьма Прутков

Загадка солнечных нейтрино

В 1930 году Вольфганг Паули скрепя сердце ввёл в физику понятие „нейтрино“ — элементарной частицы, существование которой, по его мнению, никогда не получится доказать. Но уже в середине 50-х годов XX века группа Фредерика Рейнеса надёжно зарегистрировала нейтрино. Постепенно стало понятно, что уникальные свойства нейтрино — прежде всего способность крайне слабо взаимодействовать с веществом — делают его мощным инструментом астрономических исследований. Нейтрино приходят на Землю такими, какими были рождены, проникая без взаимодействия сквозь звёзды, планеты и межзвёздное вещество. Никакие другие частицы такой способностью не обладают.

Первым космическим объектом, нейтринное излучение которого физики попытались обнаружить, было Солнце. Нейтрино образуются в Солнце в больших количествах в результате термоядерных реакций, когда лёгкие ядра сливаются в более тяжёлые, а выделяющуюся при этом энергию уносят гамма-кванты и нейтрино. К концу 50-х годов прошлого века так называемая стандартная солнечная модель в общих чертах была построена. Эта модель предсказывала вполне определённое значение потока электронных (то есть выступающих в паре с электроном или позитроном) нейтрино, которые должны приходить из ядра Солнца на поверхность Земли. Единственным критерием правильности модели мог стать эксперимент по измерению такого потока.

К сожалению, главное преимущество нейтрино оборачивается громадными сложностями в его регистрации, ведь все методы регистрации элементарных частиц строятся на их взаимодействии с веществом. Например, наша способность видеть определяется тем, что частицы света — фотоны, — попадая в глаз, взаимодействуют с сетчаткой. При этом рождается импульс, который по нервным окончаниям бежит в соответствующий участок мозга. Большое количество импульсов после обработки мозгом трансформируется в картину окружающей нас реальности: мы видим. Наблюдать же нейтрино трудно, поскольку подавляющая их часть проходит сквозь прибор, не взаимодействуя с ним. Каждую секунду сквозь каждый квадратный сантиметр поверхности нашей планеты проходит примерно 60 миллиардов нейтрино. Нужно держать под контролем несколько сот тонн вещества, чтобы в течение дня (почти сто тысяч секунд) зафиксировать взаимодействие хотя бы одного нейтрино хотя бы с одним из примерно 1031 атомов, содержащихся в этом громадном объёме. Вдумайтесь в эти числа с невообразимым количество нулей и представьте себе сложность задачи.

В 1946 году итальянский физик Бруно Понтекорво предложил использовать для детектирования нейтрино реакцию νe + 37Cl → e + 37Аr. Нейтрино взаимодействует с одним из нейтронов, входящих в состав ядра изотопа хлор-37, в результате чего электрически нейтральный нейтрон превращается в положительно заряженный протон — образуется аргон-37. При этом вылетает электрон.

Эксперимент Дэвиса

Идея оказалась плодотворной, но для её практической реализации потребовалось на протяжении почти тридцати лет шаг за шагом преодолевать технические сложности, устранять методические погрешности, исключать источники фона. К счастью, за воплощение идеи Понтекорво взялся очень талантливый, сверхцелеустремлённый и невероятно терпеливый человек — американец Раймонд Дэвис. Начиная с 1955 года он отрабатывал методику с помощью всё более и более сложных детекторов, которые размещал вблизи искусственных источников нейтрино — ядерных реакторов. Число рождённых там нейтрино хорошо известно, поэтому можно проверить, правильные ли показания даёт детектор. Через семь лет, в 1962 году, он начал эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, и только спустя одиннадцать лет, в 1973 году, появились первые результаты. Ещё двадцать лет потребовалось на то, чтобы набрать достаточное количество данных. Более сорока лет, посвящённых одной проблеме, — явление для современной физики уникальное. Но только такой подход мог обеспечить успех в решении этой невероятно сложной задачи.

Детектор солнечных нейтрино Дэвис разместил в шахте Хоумстейк (США) на глубине 1480 метров (для подавления фона от космического излучения, интенсивность которого существенно падает с глубиной). Основной частью детектора был огромный бак, содержащий 610 тонн перхлорэтилена (C2Cl4), из которого тщательно удалили все примеси. Раз в несколько месяцев систему продували гелием, который собирал весь улов: несколько десятков образовавшихся за время экспозиции ядер 37Аr. Они попадали в небольшую — объёмом всего в кубический сантиметр — ловушку, где их и пересчитывали.

Дефицит солнечных нейтрино

Результат эксперимента Дэвиса обескуражил. В детекторе получался примерно один атом аргона-37 в два дня. Это в три раза меньше того, что можно было бы ожидать исходя из расчётов, основанных на стандартной солнечной модели. Бесконечные и кропотливые проверки, перепроверки и новые расчёты не изменили основного вывода. Возникла так называемая проблема дефицита солнечных нейтрино. Были созданы детекторы SAGE (Баксанская нейтринная обсерватория, Россия) и GALLEX (лаборатория Гран Сассо, Италия). В них детектором служил галлий-71: с участием нейтрино он превращается по реакции νe + 71Ga → e + 71Ge в германий-71. Эти эксперименты подтвердили результаты Дэвиса.

Поиск решения проблемы дефицита стимулировал экспериментальную активность и теоретические исследования. Одно из предложенных решений заключалось в гипотезе об осцилляциях нейтрино. Помимо электронных нейтрино νe (которые образуются в термоядерных реакциях в недрах Солнца) существуют ещё мюонные нейтрино νμ и тау-нейтрино ντ. Если нейтрино обладают хотя бы минимальной массой (а до сих пор они считались безмассовыми частицами), то они могут осциллировать — превращаться одно в другое. Тогда на пути от Солнца часть электронных нейтрино превращается в мюонные, а часть — в тау. Таким образом, как хлор-аргонный, так и галлий-германиевый эксперименты, чувствительные только к электронным нейтрино, регистрируют лишь треть всех нейтрино, образовавшихся в Солнце и вылетевших по направлению к Земле.

Эту гипотезу удалось подтвердить в конце прошлого века в экспериментах „SuperKamiokande(Япония) и „SNO“ (Канада).

Детектор „SuperKamiokande“ представляет собой резервуар высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. тонн специально очищенной воды и расположенный глубоко под землёй недалеко от местечка Камиока в Японии. На стенах резервуара размещены 11 146 фотоумножителей. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс, который затем обрабатывает специальная электронная система.

Работа детектора основана на том, что заряженная частица, движущаяся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, испускает свет (черенковское свечение), направленный под углом 42° к траектории частицы. Нейтрино не имеют заряда, но при взаимодействии с веществом они рождают заряженные мюоны и электроны с черенковским свечением, которое фотоумножители и должны регистрировать. По конфигурации сработавших фотоумножителей, величине и форме электрических импульсов можно определить энергию и направление прихода нейтрино.

SuperKamioknde“ стал первым детектором, который зарегистрировал нейтрино, рождённые за пределами Солнечной системы. 23 февраля 1987 года в течение нескольких секунд было замечено 11 нейтрино, рождённых при вспышке сверхновой звезды SN1987A в Большом Магеллановом облаке (см. „Химию и жизнь“ № 4, 1988). Измеренные характеристики нейтрино прекрасно совпали с предсказанными, что подтвердило правильность теории взрыва сверхновых звёзд.

5 июня 1998 года была опубликована „нобелевская“ статья коллаборации (так ныне принято называть многонациональные коллективы учёных)SuperKamiokande“ с сообщением об открытии нейтринных осцилляции. Был сделан анализ событий от нейтрино, образующихся при взаимодействии космических лучей с земной атмосферой и долетевших до детектора. Распределение углов прихода нейтрино измерялось в продолжение 1144 дней. Это распределение должно быть симметрично относительно верха/низа, так как вследствие изотропности прихода космических лучей из Вселенной потоки нейтрино, направленные вверх и вниз, одинаковы. Однако количество нейтрино, приходящих из нижней полусферы, оказалось существенно меньше. Это объясняется тем, что нейтрино, пришедшие с другой стороны Земли, преодолевают гораздо большее расстояние, нежели возникшие прямо над детектором, и вероятность превращения в другой тип для них выше.

Нейтринная обсерватория в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory — SNO) построена в шахте на глубине 2070 метров и представляет собой черенковский детектор на тяжёлой воде. Тысяча тонн сверхчистой тяжёлой воды (D2O) залита в акриловый сосуд диаметром 12 метров. Черенковское излучение регистрируют 9600 фотоумножителей. Детектор погружен в сверхчистую обычную воду, которая находится в бочкообразной полости диаметром 22 метра и высотой 34 метра. За сутки детектор регистрирует около 10 нейтринных событий. Накопление данных началось в 1999 году.

Результаты работы детектора SNO также свидетельствуют о существовании нейтринных осцилляций. Детектор способен независимо регистрировать поток электронных нейтрино и суммарный поток всех типов нейтрино. Суммарный поток превышает наблюдаемый поток электронных нейтрино, но равен общему потоку нейтрино, рассчитанному в рамках стандартной солнечной модели. Это свидетельствует о превращении электронных нейтрино в другие сорта нейтрино по пути от Солнца к Земле.

Таким образом, в результате долгого и трудного пути, который занял 30 лет, загадка солнечных нейтрино была разрешена. С учётом осцилляции количество приходящих от Солнца нейтрино хорошо согласуется со стандартной солнечной моделью, а результаты экспериментов, в которых измеряется поток нейтрино от Солнца, не противоречат друг другу.

Однако проблема космических лучей сверхвысоких энергий всё ещё не разрешена…

Загадка космических лучей

Вот уже 95 лет физикам известно, что на Землю из космоса приходят космические лучи: протоны, немного ядер гелия и совсем небольшая примесь ядер более тяжёлых элементов. Эти частицы движутся с разными скоростями (в физике чаще говорят не о скоростях, а об энергиях). Очень энергичные частицы, попадая в атмосферу, взаимодействуют с её атомами. В результате рождаются новые частицы, которые, в свою очередь, тоже взаимодействуют с ядрами атомов атмосферы. Возникает так называемый широкий атмосферный ливень, состоящий из десятков и сотен тысяч частиц, которые доходят до поверхности Земли. Поперечные размеры ливня могут достигать десятков километров. Такие ливни наблюдают детекторами, состоящими из сотен датчиков, которые размещены на площадях в десятки и сотни квадратных километров. Датчики регистрируют черенковский свет, генерируемый в атмосфере частицами ливня, либо реагируют на прохождение через них частицы. По времени прихода сигнала в разные датчики, по интенсивности сигнала, по количеству зарегистрированных частиц разных типов можно судить о направлении прихода первичной частицы („космического луча“), об энергии этой частицы и её атомном весе. Накопленные за многие годы данные порождают больше вопросов, чем ответов. Главных вопросов три.

Спектр первичных частиц космического излучения (зависимость количества частиц от их энергии) имеет довольно странную форму. Гладкий на отдельных участках, он имеет два хорошо заметных излома в районе энергий 1015 эВ и 1018 эВ (эВ, или электрон-вольт, соответствует энергии, до которой разгоняется электрон, пройдя разность потенциалов в 1 Вольт). Происхождение этих изломов до сих пор не понятно.

Максимальные измеренные энергии космических лучей составляют более 1021 эВ. Это совершенно непонятно: протоны с такими энергиями должны взаимодействовать с реликтовым излучением и терять энергию („обрезание Грайзена-Кузьмина-Зацепина“). А значит, долететь до Земли они просто не могут. Тем не менее мы их наблюдаем.

И наконец — мы не знаем, как и где приходящие на Землю частицы разгоняются до таких огромных энергий. Где расположены эти космические ускорители? Как они устроены? Известные нам процессы — вспышки в атмосфере Солнца, взрывы сверхновых звёзд — при всей своей масштабности никак не дотягивают до роли таких ускорителей.

Ответы на эти вопросы было бы гораздо проще найти, если бы мы могли идентифицировать хотя бы один источник космических лучей. Увидеть точку на небесной сфере, откуда дошла до нас сверхэнергичная частица космического излучения. Можно было бы посмотреть в этом направлении с помощью обычных оптических, радио-, гамма или рентгеновских телескопов и понять, что там находится. Но пока этого не удалось, и на то есть свои причины. Протоны и другие ядра, входящие в состав космических лучей, приходят к нам вовсе не с того направления, в котором они были испущены. Межзвёздные магнитные поля искривляют их траекторию, и они „забывают“, в каком уголке Вселенной были рождены.

Ускорение протонов до сверхвысоких энергий в любом космическом объекте должно сопровождаться рождением не менее энергичных частиц других сортов. Казалось бы, можно попытаться поискать, например, сверхэнергичные гамма-кванты или нейтроны. Но нейтроны нестабильны и не могут долететь до Земли издалека. Они просто распадутся по дороге. Траектория гамма-квантов не искривляется магнитными полями, и они стабильны. Однако Вселенная непрозрачна для них: то же реликтовое излучение поглощает сверхэнергичные гамма-кванты, и те не могут достичь Земли с больших расстояний.

Единственная частица, которая сопровождает частицы космических лучей, не меняя направления своего движения, не распадаясь и не поглощаясь межзвёздной средой, — это нейтрино. Поэтому решение загадки происхождения космических лучей сверхвысоких энергий связано прежде всего с попытками зарегистрировать нейтрино таких же энергий.

Подводная и подлёдная физика

Нейтрино сверхвысоких энергий взаимодействуют с веществом интенсивнее низкоэнергетичных солнечных нейтрино, о которых говорилось выше. Но потоки их на много порядков меньше. Поэтому детектор должен быть очень большим. Кроме того, его нужно укрыть от фона космических лучей: спрятать на глубине как минимум километр, а лучше — ещё глубже. При небольших потоках нейтрино и невысокой вероятности взаимодействия с веществом увидеть их можно только при условии отсутствия других частиц.

Первые нейтринные телескопы строили под землёй, в старых шахтах. Однако на пути развития таких детекторов есть естественный предел — размеры шахты. По-видимому, предельные размеры подземных нейтринных детекторов уже достигнуты. Это „SuperKamiokande“ и „MACRO“ (Италия). Последний представляет собой параллелепипед с ребрами 12×12×72 м. Оценки же показывают, что габариты нейтринных детекторов нужно увеличивать как минимум в десять раз.

Альтернативный путь ещё в 1960 году предложил академик М.А. Марков: размещать нейтринные детекторы глубоко под водой. В этом случае вода играет роль и экрана, который защищает от фона, и рабочего вещества, в котором частицы генерируют черенковский свет.

Первый детектор такого рода был запущен в эксплуатацию на озере Байкал в 1993 году. Он содержит 192 фотоумножителя, расположенных в цилиндрическом объёме диаметром 42 м и высотой 70 м на глубине 1200 м в южной части озера. Этот пионерский эксперимент показал возможность глубоководного детектирования нейтрино.

На Южном полюсе идёт монтаж детектора „IceCube“, который закончится в 2010 году. Фотоумножители вмораживаются в антарктический лёд на глубину около 2 км. Полный объём детектора составит 1 кубический км.

В Северном полушарии сразу три коллаборации — ANTARES, NESTOR и NEMO — работают в Средиземном море над созданием нейтринных телескопов. В настоящее время ANTARES монтирует детектор в 40 км к югу от побережья Франции, в районе Марселя, на глубине 2400 м. Через два года детектор должен вступить в строй. После этого предполагается объединить усилия трёх средиземноморских нейтринных экспериментов, чтобы общими усилиями работать над единым европейским детектором кубокилометрового масштаба (в дополнение к „IceCube“ в Южном полушарии) в рамках проекта KM3NET.

Принцип детектирования нейтрино во всех этих подводных и подлёдных детекторах один. Увидеть нейтрино, пришедшее из верхней полусферы, по-видимому, не удастся. Даже на глубинах в несколько километров оттуда приходит слишком много фоновых частиц (мюонов), в которых нейтрино просто теряются. Выделение нейтринных событий основано на поиске треков, которые идут в направлении снизу вверх. Кроме нейтрино, ни одна частица не способна пройти Землю насквозь.

Чтобы нейтрино можно было увидеть, оно должно провзаимодействовать с ядром вещества в воде или во льду под детектором в реакциях:
νμ + nA → μ + (n+1)A,
ντ + nA → τ + (n+1)A,
νe + nA → е + (n+1)A,
в которых мюонное, тау- или электронное нейтрино рождают заряженный мюон, тау-лептон или электрон. Последние движутся в воде, генерируя черенковский свет. Его регистрируют фотоумножители.

Поскольку детектор фиксирует нейтрино только из нижней полусферы, то важно иметь как минимум два детектора, расположенных в Южном и Северном полушариях, чтобы для наблюдения было доступно всё небо. В этом смысле „IceCube“ и средиземноморские проекты прекрасно дополняют друг друга.

Надо полагать, что в ближайшие годы, после ввода в строй „IceCube“ и ANTARES, мы сможем наконец понять природу космических лучей высоких энергий. Хотя, наверное, при этом возникнут другие вопросы, которые будет решать следующее поколение физиков, придумывая и претворяя в жизнь всё новые и новые эксперименты. Такова логика бесконечного развития науки.

Я долго думал о том, чем завершить цикл статей об устройстве Вселенной и о нашем месте в ней. Наверное, трудно найти для этого лучшие слова, чем те, что были сказаны известным российским физиком Д.А. Киржницем: „Хочется надеяться, что после знакомства с содержанием курса у начинающего физика появится (или укрепится) ощущение единства физического мира на всех уровнях его иерархии — от субъядерного до космического. <…> Такая всеобщность и универсальность вместе со свойственной Природе соразмерностью и гармонией не просто поражают воображение, но и оставляют отчётливое впечатление, что за видимым миром вещей и явлений стоит некое высшее организующее начало. Именно здесь лежат корни „религиозного“ (в духе Спинозы, Эйнштейна, отчасти Сахарова) восприятия окружающего нас мира, которое, к сожалению, пока ещё недооценивается рационально мыслящим большинством. А ведь такое восприятие превращает сухого „технаря“ в естествоиспытателя, не просто переживающего радость познания совершенной структуры мира, но и одухотворённого сознанием своей поистине жреческой миссии посредника между незримым архитектором, непостижимо гениальные замыслы которого воплощены в окружающем нас мире и в нас самих, и остальным человечеством“.

„Химия и жизнь — XXI век“
Элементы.ru

Статьи близкой тематики:
Сцена для вселенского спектакля.  Игорь Сокальский.
   Действующие лица и исполнители: история барионов.
   Актёры, занятые в эпизодах.
   Тёмная материя.
   Зрители: эксперименты прошлого.
   Зрители: эксперименты настоящего.
Из чего всё состоит.  М. И. Каганов.
Современная форма таблицы Менделеева.  Р. Сайфуллин, А. Сайфуллин.
Рождение Вселенной.  Тина Катаева.
Тёмная Вселенная.  Л. Ксанфомалити.



2007 Copyright © AstroSearch.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования