OPERA — ОХОТА ЗА НЕЙТРИНО

Участниками одного из самых крупномасштабных международных экспериментов в области физики стали ученые Института сцинтилляционных материалов НАНУ (Харьков, Украина) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия).

Это проект OPERA, в соответствии с которым нейтрино, полученные с помощью протонного ускорителя Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве, будут регистрироваться экспериментальной установкой в Лаборатории Гран Сассо в Италии. В Страсбурге проведены успешные испытания одного из базовых элементов этого детектора, в основе которого — сцинтилляторы, разработанные и произведенные специалистами Харькова.

Буратино микромира

Само слово нейтрино, что в переводе с итальянского значит «нейтрончик», звучит уменьшительно-ласково и вызывает несерьезные ассоциации с «Буратино». И все-таки что-то общее у них есть. Деревянный мальчишка был таким легким, что не смог утонуть в болоте, а масса нейтрино гораздо меньше, чем у других частиц. Нейтрино столь слабо взаимодействуют с веществом, что свободно пролетают сквозь земной шар. А Буратино, как известно, тоже с ловкостью проходил сквозь все преграды. И наконец, если сказочный герой сначала появляется в виде полена, а потом становится человечком, то и нейтрино способно претерпевать удивительные метаморфозы. Например, мюонное нейтрино может само по себе, без всякого внешнего воздействия, превратиться в другую частицу —тау-нейтрино.

Неудивительно, что фундаментальная частица с ласковым названием, предсказанная в 1931 году В.Паули, относится к самым малоизученным объектам микромира. Нобелевский лауреат Виталий Гинзбург, составляя в разные годы свои знаменитые списки научных проблем, представляющихся ему на тот момент особенно важными и интересными, недаром каждый раз вносил в них тему «Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции».

— У физиков долго не было ответа даже на вопрос, есть ли у нейтрино масса — традиционными способами ее измерить не удавалось, — говорит директор Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, доктор физико-математических наук Александр Ольшевский. — Сейчас почти нет сомнений, что масса нейтрино все-таки отлична от нуля, поскольку превращение одних типов нейтрино в другие, то есть осцилляции, возможны только в том случае, если массы осциллирующих нейтрино не равны друг другу, а значит, хотя бы у одного из них, не равны нулю. Явление осцилляции лежит и в основе одной из загадок Солнца. Измеряемый поток солнечных нейтрино был гораздо меньше, чем диктовала теория. Только предположив, а потом и подтвердив с помощью эксперимента, что за восемь минут полета от нашего светила до Земли какая-то часть этих нейтрино успевает претерпеть метаморфозы, физики смогли свести «концы с концами».

Ученые надеются, что исследование таинственных превращений поможет раскрыть многие свойства этой фундаментальной частички, которая имеет непосредственное отношение и к другим космическим процессам — развитию нашей Вселенной, существованию «темного вещества». Есть предположение, что сам механизм образования массы у нейтрино не такой, как у других частиц. Может быть, нейтрино — окно в новую физику?..

Попытки поймать и исследовать загадочного «Буратино микромира» предпринимаются в различных международных экспериментах. Среди них — европейский проект OPERA. Кстати, хотя эта аббревиатура расшифровывается как Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, торговым знаком проекта является изображение оперного зала.

Спектакль на глубине полтора километра

— Борис Викторович, как именно будет проводиться эксперимент? — спрашиваю директора Института сцинтилляционных материалов НАН Украины, члена-корреспондента НАНУ Бориса Гринева.

— В ЦЕРНе с помощью пучка протонов в протонном ускорителе будет сформирован направленный пучок нейтрино, — объясняет Борис Викторович. Практически со скоростью света он мгновенно пролетит под землей 730 километров до Лаборатории Гран Сассо, пройдет сквозь детекторы и полетит дальше. Основная задача ученых — зарегистрировать детекторами момент рождения тау-лептона. Эта частица может образоваться только от тау-нейтрино, которых — в том-то и фокус — изначально в пучке из ЦЕРНа не содержится. Сам факт появления тау-нейтрино уже будет означать, что за доли секунды пути произошла осцилляция частицы. Чтобы исключить влияние космических лучей и соблюсти чистоту эксперимента, Лабораторию расположили на полуторакилометровой глубине — под горой, в боковых залах автомобильного туннеля на дороге Рим-Терамо.

— Что представляют собой сами детекторы?

— Стенки детектора складываются из «кирпичей», состоящих из многих слоев фотоэмульсий и свинца. Между «кирпичами» закладывается так называемая система целеуказания из разных детекторов-сцинтилляторов для измерения параметров образующихся продуктов реакции. Напомню, сцинтилляторы — это среды, в которых под действием излучения возникают световые вспышки, так называемые 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 оставленных на них следов реакции и только после этого делают окончательный вывод о наблюдавшемся событии.

— И 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 будет занимать десятки часов. А вообще экспериментальная установка — это огромное и сложное сооружение размерами примерно 10х10x100 метров, вмещающее несколько систем регистрации для обнаружения тау-лептона. Для ловли нейтрино нужна большая и густая сеть.

— Что конкретно в этом эксперименте делают украинские и российские ученые?

— Совместно с коллегами из Дубны мы делаем расчеты и моделируем установку, изготавливаем регистрирующие элементы системы целеуказания, собираем модули системы, проверяем и устанавливаем их в Гран Сассо. Для 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 Институт сцинтилляционных материалов НАНУ получил этот серьёзный европейский заказ.

Но детекторы — только часть глобального проекта OPERA, который является коллективным творчеством ученых многих стран.

— А когда начнется сам эксперимент?

— Предполагается, что он будет запущен в 2007 году. Список всех участвующих стран, институтов и людей можно найти в Интернете по адресу http://operaweb.web.cern.ch/operaweb/collaboration/members.shtml .

— OPERA — не первый, но и далеко не последний проект для охоты за нейтрино, — подчеркивает директор Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, доктор физико-математических наук Александр Ольшевский. — Впереди у физиков — 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 одну секунду после начала ее расширения. Для этого нужны новые эксперименты.