Ученые ловят частицу-невидимку в лаборатории на Северном Кавказе
Телескоп не на вершине горы, а под ней, на глубине 4500 метров. Представляется с трудом, если учесть, что там нет ни одной линзы и зеркала. Именно такие установки стоят в уникальной нейтринной обсерватории, которая ловит загадочную частицу-невидимку. Расположен этот объект на Северном Кавказе в Кабардино-Балкарии. Не так давно участники диковинной научной лаборатории замахнулись на еще большее "чудо" — запустить эксперимент, который первооткрывателю гарантированно принесет Нобелевскую премию.
Баксанскую нейтринную обсерваторию проезжали многие горнолыжники, которые посещали Приэльбрусье. На подъезде к главному зимнему курорту страны в череде названий населенных пунктов с местной топонимикой выделяется табличка "Нейтрино". Встретить ее можно в 26 километрах от бывшей столицы кавказских горняков — города Тырныауза. С дороги мало что удастся разглядеть, только несколько строений справа от дороги. Это научные корпуса и жилые дома, где живут те, кто трудится в недрах горы. Главный же объект слева от трассы на другом берегу реки — Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Российской академии наук.
Здесь вглубь горного массива под вершину Андыртау проложен тоннель длиной около 4800 метров. Такое расположение не случайно — так удалось защититься от фонового излучения, которое мешало проводить эксперименты.
Нейтринная обсерватория объединяет несколько различных проектов в области ядерной физики. Один из них — Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ). Говорить о классической трубе с зеркалами и линзами не приходится. Установка состоит из 50 тонн галлия, легкого металла с температурой плавления 30 градусов. Он помещен в реакторы, где и взаимодействует с нейтрино-элементарной частицей без заряда, которая практически не вступает во взаимодействие с веществом.
На протяжении десятилетий здесь регистрируют нейтрино, испускаемое ядром Солнца. Как признается физик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Горбачев, научный эксперимент превратился в рутину. Поэтому ученые и задумали провести новый — Baksan Experiment on Sterile Transitions. Или коротко BEST. Потенциал у эксперимента серьезный — первый, кто откроет новую частницу, может рассчитывать на Нобелевскую премию в области физики.
— Науке известны три типа нейтрино — электронные, мюонные и тау-нейтрино. И они могут превращаться друг в друга, когда проходят большие расстояния. Есть также гипотеза о существовании четвертого типа — стерильного нейтрино, которое вообще не взаимодействует с веществом, — рассказывает Горбачев.
Именно стерильные нейтрино тут и собираются искать.
Новая установка будет представлять собой бак с радиоактивным источником, в который перекачают 50 тонн галлия. Изотопы будут испускать нейтрино, которое станет превращать галлий в германий. А дальше — привычная процедура подсчета новообразовавшихся атомов.
А вот не взаимодействующие с веществом стерильные нейтрино будут искать… по их отсутствию. Когда ученые ожидают обнаружить определенное количество событий, а фактически их оказывается меньше, резонно предположить, что недостающее количество взаимодействий приходится на эти неуловимые частицы. Конечно, предварительно нужно избавиться от всех побочных факторов, которые могут привести к таким же результатам и внести смуту в подсчеты.
Для нового эксперимента уже есть большая часть необходимого оборудования: бочка и 50 тонн галлия. Осталось лишь дождаться, когда будет готов радиоактивный изотоп — хром-50.
— Для запуска проекта нам нужно 350 миллионов рублей. Сумма эта не такая большая, как может показаться, тем более что научные результаты мы получим уже спустя пять лет после запуска проекта, — поясняет физик.
Институт ядерных исследований РАН координирует реализацию проекта BEST, коллаборация которого насчитывает 26 исследователей, представляющих 15 научных организаций России, Германии, США, Канады и Японии, а ведущая роль принадлежит российскому ИЯИ РАН. Однако по заявлению сотрудника ГГНТ Татьяны Ибрагимовой, другие страны участвуют исключительно как консультанты, и финансовой помощи от них нет.
— Желают участвовать в проекте много стран, но это именно что желания. Нам помогают сугубо научной мыслью. Финансирование исключительно российское, с которым существуют проблемы. Главная причина — это преобразование весной этого года министерства образования и науки в два отдельных органа. Это усложнило выделения средств.
Стерильное нейтрино вообще не взаимодействует с веществом и само его существование — пока гипотеза
Большая часть денег нужна для получения изотопа. В стенах ГГНТ уже все готово для эксперимента. Ожидается, что новый искусственный источник нейтрино на основе радиоактивного изотопа хром-51 будет готов к середине 2019 года, а результаты эксперимента BEST будут опубликованы в 2020 году.
В обсерватории сейчас ждут источник нейтрино — радиоактивный изотоп хром-50. Его изготавливают на Электрохимическом заводе в Красноярском крае. Технологический процесс трудоемкий, так как нужного изотопа в природном хроме всего четыре процента, а для эксперимента требуется не менее 97 процентов.
Но специалисты с поставленной задачей справились. Чистота произведенного вещества составила 98 процентов. Полностью к эксперименту хром-50 будет готов в середине следующего года, когда его перевезут в Кабардино-Балкарию.
Кстати
Самая первая постройка под горой Андыртау — Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп. Он появился здесь в 1977 году.
Телескоп представляет собой сооружение высотой в четырехэтажное здание. Он состоит из баков, заполненных керосином, в котором растворен сцинтиллятор — вещество, способное излучать свет, когда в него попадает заряженная частица. В каждый бак вставлен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Всего их 3186 штук. Изнутри бак покрыт белой эмалью, которая отражает фотоны.
О чем речь
Нейтрино — одна из фундаментальных частиц, у которой нет заряда. Поэтому она участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии. Если со вторым все понятно, то первое происходит, когда нейтрино попадает точно в атомное ядро, что происходит крайне редко.
Каждую секунду через участок в один квадратный сантиметр пролетают 6 x 1010 нейтрино, испущенных только Солнцем, хотя попадают они к нам со всей Вселенной. Однако ни мы, ни окружающие нас предметы и существа никак не ощущаем их присутствие. Именно поэтому регистрировать этих космических странников очень сложно.