Проект «Дюманд»: физическая лаборатория в толще океана

лаборатория под водой

Название «Дюманд» образовано из первых букв слов английской фразы, означающей в переводе: «Глубоководная регистрация мюонов и нейтрино». Немало публикаций в нашем журнале было посвящено проблеме неуловимого нейтрино — частицы, для которой практически не существует преград в нашем мире. Потоки нейтрино со скоростью света пронизывают нашу Землю, словно не замечая ее. Нейтрино, возникающие в центре обычной звезды, мгновенно пробивают толщу ее, вырываясь на просторы Вселенной, а, скажем, фотон, частица света, тратит на путь от центра нашего Солнца до его поверхности в среднем миллион лет, переживая за это время множество превращений.

Фотон, достигший поверхности планеты, не сможет проникнуть вглубь больше чем на пятьдесят атомных слоев. Потому что на этом кратчайшем расстоянии он непременно столкнется с частицами земного вещества. Но нужен слой свинца толщиной в 35001 световых лет, чтобы обязательно столкнулось с его частицами нейтрино. Однако это — именно чтобы такое столкновение произошло обязательно. По законам же квантовой механики часть нейтрино, пусть и ничтожная, сталкивается с протонами и нейтронами атомных ядер земного вещества и на несравненно меньших расстояниях. Именно с протонами и нейтронами ядер — атомные ядра в целом для нейтрино представляют собой конструкции ажурные, оно может пройти между частицами ядра, «не заметив» их.

Первым в мире более пятидесяти лет назад именно академик Марков пришел к выводу о возможности зарегистрировать нейтрино высоких энергий. Детально разработал вскоре проблему под руководством Маркова в своей дипломной работе студент Игорь Железных, теперь — Игорь Михайлович, известный ученый. На основе этих теоретических разработок были сооружены первые устройства для регистрации нейтрино — японцами и англичанами в Индии и американцами в Южной Америке. Устройства разместили в чрезвычайно глубоких шахтах, прежде использовавшихся для добычи драгоценных металлов.

Космические лучи — так называем мы потоки непрерывно бомбардирующих Землю частиц. Нейтрино — лишь наименее заметная для планеты их часть. Выделить редчайшие столкновения нейтрино с веществом планеты на фоне бурных и частых встреч с этим веществом других частиц куда труднее, чем услышать во время канонады далекий хлопок в ладоши.

Ученые нашли способ использовать для решения проблемы то самое безразличие нейтрино к препятствиям. Физики поставили на пути космических лучей стену из камня, ушли подслой земли, которая останавливает прочие частицы кроме несущих самую большую энергию, но пропускает нейтрино. Но объем камеры, углубленной в землю, составляет всего несколько тысяч кубических метров, а поймать удается лишь те нейтрино, сигналы от столкновений которых с протонами и нейтронами поступают на площадь всего в двести квадратных метров.

Десятками в год считают столкновения с веществом в Баксанской лаборатории. А физика элементарных частиц привыкла изучать реакции, наблюдаемые миллионы и миллиарды раз в год. Только тогда удается выяснить детали хода таких реакций.

Зачем, однако, нам нужно в подробностях знать, что происходит при встречах нейтрино с веществом?

Наши современные знания о глубинных свойствах материи в определенном смысле недалеко ушли от знаний о мире древних греков. Те полагали, что все на свете состоит из четырех стихий — огня, воды, воздуха и земли. Мы же считаем, что все процессы во Вселенной определяются четырьмя типами взаимодействий между частицами и телами:

  • гравитационным;
  • электромагнитным;
  • так называемым сильным, характерным для ядерных реакций;
  • слабым, появляющимся в некоторых реакциях на уровне элементарных частиц.

Это — те же «четыре стихии» древних, только признанные современной наукой, и мы так же, как древние греки, не понимаем пока связей между четырьмя нашими «стихиями».

Вспомним, что до Фарадея физика резко отличала друг от друга явления электричества и магнитные. Сегодня есть единый электромагнетизм. Но должны ли так же объединиться в будущем и наши четыре типа взаимодействий?

А то так и захочется спросить, если бы было у кого: Господи, зачем тебе эти четыре формы? Но ни одну из этих форм нельзя описать до конца отдельно от других. Мир построен без архитектурных излишеств, все в нем, как показывает реальность, взаимосвязано. Известные ученые С. Вейнберг и А. Салам предложили теорию, объединяющую электромагнитные и слабые взаимодействия, как работы Фарадея и Максвелла объединили электричество и магнетизм.

Некоторые положения этой теории проверены в экспериментах на современных ускорителях. Другие же просто не могут быть ни подтверждены, ни опровергнуты, потому что эксперименты для этого надо ставить с частицами гигантских энергий — таких, какие не могут быть достигнуты на ускорителях, по крайней мере, в ближайшие десятилетия.

Ускорители называют пирамидами ядерного века, это огромные и очень дорогостоящие сооружения, но пока максимальная энергия создаваемых ими частиц «только» миллиарды электрон-вольт. Для экспериментов же, о которых идет речь, нужны частицы, несущие многие триллионы электрон-вольт.

То, чего не может еще дать техника, нам в изобилии предлагает природа. Космические лучи богаты частицами сверхвысоких энергий. Надо «только» выделить из их числа те, которые нам нужны, прежде всего — нейтрино.

Уйдя под землю, физики на Северном Кавказе оставили между своими приборами и космическими лучами слой грунта, соответствующий 600 метрам воды. Океан может дать нам фильтр толщиной в несколько километров. Более активные, чем нейтрино, частицы прореагируют с водой в этом слое. Только нейтрино и другие высокоэнергичные частицы, мюоны, тоже весьма интересные для физиков объекты проникнут в «камеру».

Идею использовать океанскую воду для ловли нейтрино предложил опять же М. А. Марков. Она жила, развивалась. И вот американские физики выдвинули проект подводного детектора, или, проще говоря, регистратора нейтрино. Объем такого «прибора» по замыслу ученых должен был составлять миллион кубических метров воды на глубине в пять километров. Сегодня у физиков речь идет уже о миллиарде кубометров океана, о целом кубическом километре, весящем миллиард тонн.

Но как можно превратить кубический километр тихоокеанской воды в главную часть физической лаборатории?

Вот сверхэнергичное нейтрино — только одно из многих квадрильонов ему подобных — сталкивается с протоном, ядром атома водорода или частицей ядра атома кислорода. В столкновении рождается лавина новых частиц, уже не таких неуловимых, как исчезнувшее нейтрино. Начальная их скорость близка к скорости света в пустоте. Скорость света в воде меньше — и частицы по пути замедляются, теряя энергию. Эта энергия частично выделяется в виде черенковского свечения, названного так по имени первооткрывателя этого явления ученого П. А. Черенкова.

Свечение Черенкова можно зарегистрировать! Для этого надо «только» установить в воде приборы, которые его уловят.

Каждый случай такого свечения будет пойман несколькими ловушками, они отметят путь светового луча, а этот луч продолжает траекторию нейтрино, вызвавшего его появление. Значит, мы узнаем направление нейтрино, угодившего в камеру. Интересно, если это нейтрино преодолело по дороге четыре километра воды, придя в камеру сверху, но еще любопытней, если оно поступит в прибор снизу, со стороны океанского дна, прорезав всю толщу планеты.

Мы узнаем, хотя бы приблизительно, какая частица, с какой энергией пришла к нам, определим ее путь — и выясним, из какого участка неба она вылетела, какого типа космический источник ее породил.

Узнаем неизвестные прежде особенности взаимодействия частиц при таких высоких энергиях, а это может дать ключ к загадкам строения материи на самом глубинном уровне микромира, дать фактическую основу для создания единой теории физического строения Вселенной.

Узнаем многое, о чем еще не можем догадываться,— ведь всякий хороший эксперимент дает больше, чем ждут теоретики.

И вот со дна океана, с глубины примерно пять километров, поднимется лес гигантских «водорослей» — кабелей, длиной в 1600 метров каждый. На «водорослях» повиснут плоды метров по шесть в диаметре — «светоловушки», детекторы черепковского свечения. Таких вертикальных кабелей, по предварительным данным, должно быть примерно 1260, светоловушек на них — 23 тысячи. Эта шестиугольная в сечении ажурная конструкция напоминает на рисунках ячейку пчелиных сот — древнее инженерное изобретение живой природы.

Вертикальные кабели отходят от горизонтальных, уложенных на дне, а те связаны с лабораторией, построенной на берегу.

Идее светоловушек — два с лишним десятилетия. Физики Г. А. Аскарьян и Б. А. Долгошеин и американец Т. Боуэн доложили еще об одной возможности регистрации столкновений нейтрино с протонами и нейтронами.

Лавины частиц, рождающихся в таких столкновениях, должны нагревать воду. Всего примерно на миллионную долю градуса — зато за ничтожную долю секунды. Расширяясь от нагревания, вода издает звук — что-то вроде щелчка. А звук можно услышать в воде на расстоянии гораздо большем, чем то, на котором можно увидеть в ней слабое свечение. Предлагается дополнить «камеру» гидрофонами, подвешенными на кабелях к плавучим буям. Их можно расположить сравнительно далеко друг от друга, устройство звуковой ловушки куда проще, чем световой, и она в десятки раз дешевле. Гидрофоны позволят еще расширить «камеру» — дополнением к миллиарду кубометров воды с ловушками обоих типов должны стать девяносто девять миллиардов кубометров океана, оборудованных только гидрофонами. Звук даст пусть и менее полные, но тоже бесконечно важные сведения о нейтрино, а приобретаются они куда более дешево.

Сверхэнергичные нейтрино приходят на Землю не от Солнца (оно порождает нейтрино меньших энергий), а от звезд, превращающихся в знаменитые пульсары и «черные дыры», их порождают далеко не ясные нам события в ядрах галактик и иные процессы чудовищных энергий.

Осуществление проекта «Дюманда» — единственный реальный сегодня способ ответить на давний вопрос, есть ли звезды и галактики, состоящие из антивещества, говорит американский астрофизик Лейрид. Кроме нейтрино существуют ведь и антинейтрино; и количественное соотношение этих частиц в потоке космических лучей, посылаемых источником из антивещества, должно быть другим, чем в потоке, идущем от «обычного» космического источника.

Нейтрино «придумали» для того, чтобы объяснить, куда девается часть энергии при распаде нейтрона на протон и электрон. Это было сделано, чтобы «подогнать» энергетический баланс такой реакции под фундаментальнейший закон сохранения энергии.

«Потерянная» при расчетах часть энергии была ничтожна. Но физики в таких случаях ведут себя столь же дотошно, как старый бухгалтер,— тот, подсчитывая миллионные итоги, может многие сутки искать копейку, без которой баланс не сходится.

Маленькая частица (нейтрино ведь и значит примерно «маленькое нейтральное») выручила тогда ученых. Она же заставила их потом строить гигантские установки, чтобы ее зарегистрировать. В последние годы результаты регистрации нейтрино, идущих от солнца, заставили усомниться в наших устоявшихся уже представлениях о процессах, дающих энергию светилу, а значит, и всем нам. По расчетам, в уже существующих нейтринных ловушках должно регистрироваться больше солнечных нейтрино, чем фиксируется в них на самом деле. Кто может заранее предвидеть, какие истины современной астрофизики будут подтверждены, какие опровергнуты данными, полученными на «Дюманде»?

Автор: Р. Подольный

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *