Наверх
15 декабря 2019
USD EUR
Погода
Без рубрики

Архивная публикация 2006 года: "Сначала поймать, потом выдрессировать"

Среди элементарных частиц есть некие нейтрино, у которых, как заметил бы Воланд, «чего ни хватишься — ничего нет»: нет заряда и магнитного момента, их трудно зарегистрировать детекторами. Но их использование может решить многие практические проблемы.Маленькие и неуловимые, нейтрино буквально заполняют мироздание. «Наряду с реликтовым фотоном нейтрино — самая распространенная частица в мире. На каждую тяжелую частицу (электрон, протон, нейтрон) приходится примерно десять в девятой степени нейтрино. То есть, вообще говоря, мы находимся в нейтринном море», — сказал однажды академик Владимир Лобашев (Институт ядерных исследований РАН). Их источникам на Земле и во Вселенной нет числа: Солнце, гамма-всплески, квазары (звездоподобные объекты, которые генерируют сильное радиоизлучение), АЭС, уран и торий внутри нашей планеты. Но самыми главными поставщиками «маленьких нейтрончиков», по свидетельству Лобашева, являются коллапсирующие ядра сверхновых и ранняя Вселенная, в которой отделение нейтрино от вещества произошло сразу после Большого взрыва. Причем именно нейтрино от сверхновых вполне доступны современным приборам и могут принести очень много полезной информации. Недаром физики-ядерщики всего мира ведут за ними охоту.

Оркестр микромира

Самая отлаженная система — это детекторы, или нейтринные телескопы, состоящие из огромных резервуаров воды, внутри которых находятся фотоумножители. Детекторы устанавливают глубоко под землей, водой, льдом, а также в горных расщелинах и заброшенных шахтах, так что никакие другие элементарные частицы, кроме нейтрино, их не могут достичь. Правда, большинство нейтрино проходит вещество насквозь, не оставляя следа, и лишь единицы взаимодействуют с ним, превращаясь в высокоэнергетичные электроны. Они движутся со скоростью выше скорости света, образуя электромагнитный ливень. Это и есть знаменитое свечение, которое открыл в 1934 году Павел Черенков (Нобелевская премия-1958 вместе с Игорем Таммом и Ильей Франком). Его-то и фиксируют фотоумножители.

Но такая методика имеет один важный недостаток: в ней используется очень дорогостоящая аппаратура. Удешевить процесс можно с помощью нового метода акустического детектирования, который разработали российские ученые из ряда институтов — ВНИИФТРИ, Института ядерной физики МГУ, Института теоретической и экспериментальной физики РАН. При этом методе регистрируется не свечение, а звук, который издают направленные потоки элементарных частиц, когда соударяются с веществом.

Еще полвека назад советский физик Гурген Аскарьян предположил, что этот удар вызывает краткий звук в килогерцовом диапазоне. Значит, его можно зарегистрировать обычными гидрофонами, что и было осуществлено. Исследователи из НИИЯФ МГУ, ИТЭФ и ВНИИФТРИ бомбардировали камеру с водой электронными сгустками и изучали распространение звуковых волн. Выяснилось, что электронный луч, попадая в воду, производит двойной звук — в месте входа в среду и затем вдоль своей траектории. По акустическим колебаниям можно отследить, откуда прилетели нейтрино, какой обладали энергией и т.д. А чем больше ученые будут знать о происхождении и свойствах нейтрино, тем скорее они научатся ими управлять.

Зачем нам эти частицы?

Имеет смысл со временем разработать механизм их торможения, который наверняка происходит с выделением энергии. Но это дело далекого будущего. Пока мы пользуемся естественными природными превращениями вещества, происходящими с участием нейтрино. Классический пример — энергия Солнца, без которой на Земле не было бы жизни. Солнце вырабатывает ее за счет цепочки превращений водорода в гелий. И первая необходимая реакция этой термоядерной цепочки — слияние двух протонов, приводящее к образованию дейтерия, — возможна только с рождением нейтрино.

Уже сегодня регистрация нейтрино помогает решать самые разные фундаментальные и практические задачи. Например, коллектив ученых, работающих на KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) — большом нейтринном детекторе, который смонтирован в глубокой шахте Камиоке на острове Хонсю (Япония), — замерил поток нейтрино, образующихся при распаде радиоактивных элементов в ядре Земли. Первоначально KamLAND использовался для регистрации нейтрино от японских и южно-корейских АЭС. А для ловли элементарных частиц, идущих из планетарных недр, ученые додумались перевернуть прибор вниз «головой».

Результаты измерений показали, что плотность нейтринного потока составляет примерно 16,2 млн. частиц в секунду на квадратный сантиметр поверхности Земли. Таким образом, распад урана до свинца, происходящий в недрах планеты, может генерировать от 24 трлн. до 60 трлн. ватт тепловой энергии. «Нам впервые удалось провести непосредственные измерения радиоактивности Земли целиком», — заявил Джон Лернед, руководитель группы KamLAND в Университете штата Гавайи. Нейтринные эксперименты на детекторе KamLAND дали возможность количественно оценить процессы, происходящие на глубине 6 тыс. километров. Кроме того, теперь у геологов есть точные данные о том, сколько на планете содержится урана. Значит, они могут дать верный прогноз о длительности ядерного распада, подогревающего планету изнутри. А геофизики получили новый инструмент для тектонических и сейсмических прогнозов. «Тепло, выделяемое при распаде урана и тория, является источником конвекции (перемешивания) вещества в мантии Земли, — заявляет участник эксперимента KamLAND Николай Толич, — и тем самым — тектоники плит и землетрясений. Полученный результат, а также дальнейшие измерения с использованием того же метода позволят обеспечить модели конвекции Земли корректными исходными значениями».

Но это в наши дни ученые смело оперируют понятием нейтрино, а в начале ХХ века они не знали о нем ничего и никак не могли свести воедино закон сохранения энергии и импульса. Честь мундира защитил швейцарец Вольфганг Паули, который выдвинул гипотезу о существовании элементарной частицы, не имеющей заряда и с мизерной массой. Доложив коллегам о своей догадке в 1930 году, он сам испугался содеянного: «Я сделал сегодня что-то ужасное: предложил нечто, что никогда не будет проверено экспериментально». Но идея всем очень понравилась, и с легкой руки Энрико Ферми частица получила название «нейтрино», что по-итальянски означает «маленький нейтрон».

«Русский след» в изучении нейтрино достаточно длинен, однако в наибольшей степени он связан с «нашим человеком из Пизы» — перебравшимся в 1950 году в СССР итальянцем Бруно Понтекорво. Сегодня трудно сказать, какими коммунистическими химерами он был обуреваем и зачем перебрался в Страну Советов. Может быть, имя этому шпионаж? Но жил он вовсе не затворником, женился на первой красавице Москвы и был популярен, как космонавт или балерина. «Вот было бы здорово, / Чтоб Понтекорво / Взял его крепче за шкирку», — пел Владимир Высоцкий об ученом и объекте его исследований. Ну, разве что Нобелевской премии не был удостоен. Именно Понтекорво первым предложил метод детектирования нейтрино с помощью реакции превращения хлора в аргон. Он же указал на источники нейтрино — Солнце и ускорители.

Сейчас ученые озабочены определением массы нейтрино в состоянии покоя, надеясь таким образом достичь Великого Объединения — создания теории, объединяющей сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное взаимодействия. 

Таблица 1 В мире растет количество и оснащенность нейтринных телескопов

































Название установкиСтранаПринцип и результаты работы
SNO (Sudbery Neutrino Observery)КанадаСферическая емкость тяжелой воды (1000 т) установлена на глубине 2 км в подземном зале бывшей шахты по добыче никеля. Здесь было подтверждено явление осцилляции нейтрино — превращения одних их видов в другие
Супер-КамиокандеЯпонияЦилиндрическая емкость (40х39 м) дистиллированной воды расположена в шахте на глубине 1 км. Ведется строительство протонного ускорителя для создания нейтринного пучка к этому детектору. Цель — исследование осцилляции нейтрино
OPERA (Oscillation Project with Emulsion Tracking Apparatus) нейтринный телескопИталияПодземная нейтринная обсерватория, призванная регистрировать пучки искусственных нейтрино, которые будут создаваться на Большом андронном коллайдере в ЦЕРН (Женева)
Большой байкальскийРоссияНейтринные детекторы и 200 светочувствительных фотоумножителей расположены на глубине 1 км. Разработана методика восстановления траекторий регистрируемых нейтрино
Баксанская нейтринная обсерваторияРоссияПодземный галлий-германиевый сцинциляционный телескоп для детектирования солнечных нейтрино. Получены многочисленные данные нейтринных событий
AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array)АнтарктидаДетекторы находятся в толще льда объемом около 1 куб. км, в который вмонтировано 667 фотоумножителей, предназначенных для регистрации пролета космических нейтрино
IceCubeАнтарктидаАналог AMANDA, превосходящий его по размеру. Нитевидные детекторы вморожены в сплошную ледяную толщу. Начал работать совсем недавно
Больше интересного на канале: Дзен-Профиль
Скачайте мобильное приложение и читайте журнал "Профиль" бесплатно:
Самое читаемое

Зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность скачивания номеров

Войти через VK Войти через Google Войти через OK