OPERA — ПОЛЮВАННЯ НА НЕЙТРИНО

Учасниками одного з наймасштабніших міжнародних експериментів у галузі фізики стали вчені Інституту сцинтиляційних матеріалів НАНУ (Харків, Україна) і Об’єднаного інституту ядерних досліджень (Дубна, Росія).

Це проект OPERA, відповідно до якого нейтрино, отримані з допомогою протонного прискорювача Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, реєструватимуться експериментальною установкою в Лабораторії Гран Сассо в Італії. У Страсбурзі проведено успішні випробування одного з базових елементів цього детектора, в основі якого — сцинтилятори, розроблені й вироблені фахівцями Харкова.

Буратіно мікросвіту

Саме слово «нейтрино», що в перекладі з італійської означає «нейтрончик», звучить зменшувально-ласкаво й викликає несерйозні асоціації з «Буратіно». І все-таки щось спільне в них є. Дерев’яний хлопчина був такий легкий, що не зміг потонути в болоті, а маса нейтрино набагато менша, ніж в інших частинок. Нейтрино дуже слабко взаємодіють із речовиною, тому вільно пролітають крізь земну кулю. А Буратіно, як відомо, також вельми спритно проходив крізь усі перепони. І, нарешті, казковий герой спочатку з’являється у вигляді поліна, а потім стає маленькою людиною. Нейтрино також здатне зазнавати дивовижних метаморфоз. Приміром, мюонне нейтрино може саме по собі, без жодного зовнішнього впливу, перетворитися на іншу частинку — тау-нейтрино.

Не дивно, що фундаментальна частинка з ласкавою назвою, передбачена 1931 року В.Паулі, є одним із найбільш невивчених об’єктів мікросвіту. Нобелівський лауреат Віталій Гінзбург, складаючи в різні роки свої знамениті списки наукових проблем, які він вважав на той момент особливо важливими й цікавими, недарма щоразу вносив у них тему «Нейтринна фізика й астрономія. Нейтринні осциляції».

— У фізиків довго не було відповіді навіть на запитання, чи є в нейтрино маса, — традиційними способами її виміряти не вдавалося, — розповідає директор Лабораторії ядерних проблем ОІЯД, доктор фізико-математичних наук Олександр Ольшевський. — Нині майже немає сумнівів, що маса нейтрино все-таки відмінна від нуля, оскільки перетворення одних типів нейтрино на інші, тобто осциляції, можливі лише в тому випадку, якщо маси осцилюючих нейтрино не дорівнюють одна одній, а отже бодай у одного з них маса не дорівнює нулю. Явище осциляції лежить і в основі однієї із загадок Сонця. Вимірюваний потік сонячних нейтрино був набагато менший, ніж диктувала теорія. Лише припустивши, а потім і підтвердивши з допомогою експерименту, що за вісім хвилин польоту від нашого світила до Землі певна частина цих нейтрино встигає зазнати метаморфоз, фізики змогли звести «кінці з кінцями».

Учені сподіваються, що дослідження таємничих перетворень допоможе розкрити багато властивостей цієї фундаментальної частинки, яка має безпосередній стосунок і до інших космічних процесів — розвитку нашого Всесвіту, існування «темної речовини». Є припущення, що сам механізм утворення маси в нейтрино не такий, як в інших частинок. Можливо, нейтрино — вікно в нову фізику?..

Пробували впіймати й дослідити загадкового «Буратіно мікросвіту» у різних міжнародних експериментах. Серед них — європейський проект OPERA. До речі, хоча ця абревіатура розшифровується як Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, торговим знаком проекту є зображення оперного залу.

Спектакль на глибині півтора кілометра

— Борисе Вікторовичу, як саме проводитиметься експеримент? — запитую директора Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України, члена-кореспондента НАНУ Бориса Грінева.

— У ЦЕРН із допомогою пучка протонів у протонному прискорювачі буде сформовано направлений пучок нейтрино, — пояснює Борис Вікторович. — Практично зі швидкістю світла він миттєво пролетить під землею 730 кілометрів до Лабораторії Гран Сассо, пройде крізь детектори й полетить далі. Основне завдання учених — зареєструвати детекторами момент народження тау-лептона. Ця частинка може утворитися лише від тау-нейтрино, які — в тому-то й фокус — від самого початку в пучку з ЦЕРН не містяться. Сам факт появи тау-нейтрино вже означатиме, що за частки секунди шляху відбулася осциляція частинки. Аби виключити вплив космічних променів і витримати чистоту експерименту, Лабораторію розмістили на півторакілометровій глибині — під горою, у бічних залах автомобільного тунелю на дорозі Рим—Терамо.

— Чим є самі детектори?

— Стінки детектора складаються з «цеглин», ті, своєю чергою, — із багатьох шарів фотоемульсій і свинцю. Між «цеглинами» закладається так звана система цілевказівки з різних детекторів-сцинтиляторів для вимірювання параметрів утворюваних продуктів реакції. Нагадаю, сцинтилятори — це середовища, де під дією випромінювання виникають світлові спалахи, так звані сцинтиляції. Автоматика реєструє факт такого спалаху, оцінює, в якій саме з «цеглин» відбулася взаємодія, і її виймають зі стінки. Потім проявляють усі шари фотоемульсії, переглядають їх, вимірюють параметри залишених на них слідів реакції і лише після цього роблять остаточний висновок про подію, котру спостерігали.

— І скільки ж у детекторі закладено таких «цеглин»?

— Загалом у експерименті задіяно 62 стінки з 206336 цеглин, у кожній — 57 шарів фотоемульсії. Перегляд однієї «цеглини» на найсучасніших комп’ютерах і спеціалізованому устаткуванні триватиме десятки годин. А взагалі експериментальна установка — це величезна й складна споруда завбільшки приблизно 10х10x100 метрів, куди входять кілька систем реєстрації для виявлення тау-лептона. Для ловлі нейтрино потрібна велика й густа сіть.

— Що конкретно в цьому експерименті роблять українські й російські вчені?

— Спільно з колегами із Дубни ми виконуємо розрахунки й моделюємо установку, виготовляємо реєструючі елементи системи цілевказівки, збираємо модулі системи, перевіряємо і встановлюємо їх у Гран Сассо. Для експерименту знадобилася нова технологія виготовлення пластмасових сцинтиляторів, розроблена в нашому інституті у дуже стислі терміни. Загальноєвропейський конкурс засвідчив її незаперечну перевагу, і в результаті Інститут сцинтиляційних матеріалів НАНУ отримав це серйозне європейське замовлення.

Але детектори — лише частина глобального проекту OPERA, який є колективною творчістю учених багатьох країн.

— А коли розпочнеться сам експеримент?

— Його запуск передбачається 2007 року. Список усіх країн-учасниць, інститутів та людей можна знайти в Інтернеті за адресою //operaweb.web.cern.ch/operaweb/collaboration/members.shtml.

— OPERA — не перший, але й не останній проект для полювання на нейтрино, — підкреслює директор Лабораторії ядерних проблем ОІЯД, доктор фізико-математичних наук Олександр Ольшевський. — Попереду у фізиків — пошук нейтрино від наднових зірок, вивчення атмосферних нейтринних аномалій, дослідження антинейтрино... Є ще одне надзвичайно цікаве завдання — знайти космічне нейтринне реліктове випромінювання, що несе інформацію про Всесвіт лише через одну секунду після початку його розширення. Для цього потрібні нові експерименти.