SuperNEMO заговорит по-украински

«Разработка технологий и организация производства пластмассовых сцинтилляторов, создание на их основе детекторов ионизирующего излучения для радиационного приборостроения» — так называется цикл работ, представленных на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники в 2005 году.

Идет охота на нейтрино, идет охота

Эти фундаментальные частицы не дают ученым покоя с 1931 года, когда их существование предсказал швейцарский физик Вольфганг Паули. Они энергичны, всепроникающи и вездесущи — за те секунды, когда вы читали эти строки, несколько миллиардов нейтрино пролетело сквозь ваше тело со скоростью, почти равной скорости света, и умчалось во Вселенную.

Тем не менее частицы относятся к самым малоизученным объектам микромира, поскольку крайне слабо взаимодействуют с веществом. Лишь несколько лет назад ученым удалось установить, что нейтрино одного сорта могут превращаться в нейтрино другого сорта и у этой частицы есть масса. Непосредственно сами нейтрино никто не наблюдал. Самое большее, на что могут сейчас рассчитывать физики-экспериментаторы, так это на тот редкий счастливый случай, когда летящая частица столкнется, что называется, лоб в лоб с атомом мишени и аппаратура сможет зафиксировать след этого взаимодействия. Ради этого в мире проводятся сложные и дорогие международные эксперименты по ловле нейтрино. Они бывают двух типов.

В одном случае пучок этих частиц получают с помощью ускорителя. Например, в европейском проекте OPERA, где нейтрино из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве должны будут лететь сотни километров под землей, чтобы зарегистрироваться в лаборатории Гран Сассо в Италии. В другом случае в мишень должны попасть нейтрино, которые образуются самопроизвольно, как в новом международном проекте SuperNEMO. Его участниками станут ученые Института сцинтилляционных материалов (ИСМА) НАН Украины, который входит в состав НТК «Институт монокристаллов» (Харьков).

В обоих случаях регистрировать знаменательный факт появления таинственной частицы будут специальные детекторы на основе сцинтилляторов. Так называются специальные функциональные материалы, которые обладают способностью светиться под действием ионизирующего излучения. Они-то и должны микроскопической вспышкой света сигнализировать о том, что нейтрино попалось в ловушку. Поэтому ученые ИСМА НАНУ, где создана мощная научная и производственная база по разработке и изготовлению сцинтилляторов различного типа, являются желанными участниками различных международных коллабораций по ловле нейтрино, включая и OPERA, и SuperNEMO.

Капитан Немо XXI века

— Как будет проходить эксперимент SuperNEMO? — корреспондент «ЗН» поинтересовалась у директора Института сцинтилляционных материалов НАН Украины, члена-корреспондента НАНУ Бориса Гринева.

— Чтобы уйти от природного фона, этот эксперимент, как и эксперимент OPERA, будет проводиться под землей, в одной из природных пещер Франции, — рассказал Борис Викторович. — Очищенный молибден массой около 100 килограммов будет реагировать с летящими сквозь него солнечными нейтрино, а снабженные нашими сцинтилляторами детекторы будут регистрировать получающийся в результате след. Ученые предполагают, что за год в таком образце зарегистрируют 5—10 таких знаменательных событий, то есть их можно будет буквально пересчитать по пальцам. Несколько лет уйдет на подготовку к эксперименту и строительство самой установки, а потом еще лет 8—10 физики будут набирать нужную статистику.

— Имеет ли какое-то отношение название проекта — SuperNEMO к капитану Немо?

— Хотя идея этого амбициозного международного проекта родилась, как и роман Жюля Верна, во Франции, знаменитый герой здесь ни при чем. NEMO — это аббревиатура, которая расшифровывается, как «нейтринные осцилляции с молибденом». А интернациональную команду лучших «игроков» для реализации эксперимента собирает директор Национального центра научных исследований при Французском университете (Орсе) Серж Юлиан. Например, разрабатывать способ очистки молибдена станут знающие в этом толк американцы, сам процесс очистки будет производиться в России, где есть необходимые производственные мощности, а эксперимент проведут во Франции, где работают прекрасные специалисты по низкофоновым измерениям.

Нас пригласили в проект благодаря тому, что разработанные в Харькове сцинтилляторы имеют высочайшее — на пределе теоретических возможностей — энергетическое разрешение. Это очень важно, поскольку меряться будут очень слабые сигналы, сравнимые по силе с шумами самой аппаратуры. К тому же наши материалы способны в течение долгого времени сохранять свои свойства, что для этого эксперимента имеет очень большое значение. ИСМА НАНУ участвует в этом проекте в качестве партнера на стадии исследовательских работ, а изготовление сцинтилляторов институту оплатит коллаборация. Мы сможем поставить необходимые для детектора 100 кубометров пластических сцинтилляторов, поскольку обладаем крупнейшим в Европе производством.

— Где еще востребованы сцинтилляторы?

— Везде, где есть необходимость в эффективных, точных и быстродействующих детекторах ионизирующего излучения, откуда бы оно ни исходило — из материала, тела человека или глубин космоса. Это физика высоких энергий, ядерная медицина и атомная энергетика, химия, биология и геология, радиационный мониторинг окружающей среды, определение содержимого радионуклидов в воде, пищевых продуктах и строительных материалах, контроль за перемещением радиоактивных материалов и так далее.

В мире сейчас востребованы украинские технологии выращивания сцинтилляторов самых разных размеров и конфигурации. Наши специалисты ведут исследования практически по всем актуальным направлениям этой области науки с 50-х годов прошлого века, то есть с самого начала ее возникновения. С появлением новых и расширением старых сфер использования пластмассовых сцинтилляторов требования к функциональным характеристикам растут. Например, для одной задачи нужна такая точность размеров, чтобы на семи метрах длины погрешность составляла не больше одной десятой миллиметра. Для другой — сцинтилляторы такой прозрачности, чтобы можно было зафиксировать вспышку мощностью всего в один фотон. Для третьей — сверхвысокая радиационная стойкость.

Специалисты института умеют получать сверхдлинные образцы, гибкие, поликристаллические большой площади, комбинированные, типа «сэндвич», с регулируемым распределением выхода света и т. д. Созданные у нас мощности и ассортимент изделий могут полностью удовлетворить потребности научных и приборостроительных областей Украины, а также предложить для реализации на мировом рынке продукцию в объеме больше 5 млн. долл. США. Сцинтилляторы размерами от 1 миллиметра до 7 метров ИСМА НАНУ экспортирует в США, Францию, Голландию, Китай, Японию и другие страны.

— Что помогает институту выигрывать международные тендеры и находить все новых заказчиков?

— В первую очередь, тот факт, что мы понимаем существо дела гораздо глубже, чем обычный западный производитель. Исследования наших ученых внесли весомый вклад в фундаментальные представления о физико-химии полимеров, радиационной химии органических материалов, теории фотофизических процессов. В основу разработок положены наши ноу-хау и научно-технические наработки, приоритет которых защищен многочисленными патентами, свидетельствами на изобретение, научными публикациями. При этом нужно иметь в виду, что часть работ фундаментального характера нам оплачивает государство, поскольку мы являемся институтом Национальной академии наук Украины. Такая поддержка помогает нам стать полноправными участниками мирового рынка высоких технологий и зарабатывать на продаже сцинтилляторов.

* * *

Почему же, собственно, ученые затрачивают усилия, а развитые страны вкладывают деньги в то, чтобы поймать в ловушку хотя бы следы от нейтрино? Ведь OPERA или SuperNEMO — это не первые, но и далеко не последние проекты для охоты за нейтрино. Почему, составляя в разные годы свои знаменитые списки особенно важных и интересных научных проблем, нобелевский лауреат Виталий Гинзбург неизменно вносил в них тему «Нейтринная физика и астрономия»?

Причин для такого интереса более чем достаточно. Например, нейтрино составляют, по-видимому, значительную часть той самой невидимой нами загадочной «темной материи», которая занимает более 85-90% всей массы Вселенной и определяет ее судьбу. «Нейтрино могут стать ключом к поискам Святого Грааля физики — Единой Теории Всего», — утверждают ученые.