Сквозь шарик    Нейтрино прошивают Землю, а физики снимают с них показания

   Наконец-то мечта осуществилась: извилистая журналистская тропа вывела-таки к Байкалу. А он, увы, не особенно приветлив: от озера так и веет зимней стужей. В Иркутске жара под 30, а здесь, примерно в 90 км от города, в поселке Большие коты ёжишься от холодного ветра. Температура воды - около четырёх градусов - тут уж не до купания. А вот съехавшихся сюда физиков это нисколько не огорчило. Они оказались в родной стихии. Что им чудо-озеро, горы и долины, когда речь идет, скажем, о флуктуации максимума, резкости излома в спектре или достижении максимальной энергии ускоренных частиц.

    Поясним: на берегу Байкала Иркутский государственный университет (ИрГУ) проводил школу по физике элементарных частиц и астрофизике. Примерно 40 студентов и аспирантов слушали выступления ведущих специалистов НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ (НИИЯФ МГУ), Объединённого института ядерных исследований, ИрГУ, других институтов. "Школьникам" явно повезло: лекторы - участники интереснейших проектов, которые ведутся недалеко от Иркутска. Один, продолжающийся уже много лет, - на Байкале, другой - в 100 км от него, в предгорьях Саян, в Тункинской долине.

Много света в холодной воде

    С начала 80-х годов прошлого уже века в южной части Байкала, в глубинах озера действует уникальная установка - нейтринный телескоп (НТ200+). Его история хорошо известна профессору физфака Иркутского университета, заведующему лабораторией НИИ прикладной физики ИрГУ, доктору физико-математических наук Николаю БУДНЕВУ, едва ли не единственному участнику всех 26 экспедиций, обеспечивающих работу установки.

    - Идея телескопа принадлежит трем академикам - Александру Чудакову, Моисею Маркову и Георгию Зацепину, - говорит Николай Михайлович. - В порядке эксперимента они предложили провести регистрацию элементарных частиц - нейтрино - в байкальских водах. Напомню: нейтрино образуются в результате процессов, происходящих во Вселенной: например, при термоядерных реакциях в обычных звёздах, при гравитационном Коллапсе массивных звёзд. Из-за своей ничтожной массы и отсутствия заряда: частицы практически не взаимодействуют с веществом. Их ничто не может остановить. Они пронзают планеты, звёзды, галактики, путешествуя миллионы лет, преодолевают гигантские расстояния. А попадая на Землю, доставляют сведения о неизвестных и чрезвычайно интересных явлениях, происходящих во Вселенной.

    Нейтрино прошивают земной шар и при взаимодействии с веществом могут родить заряженную частицу – мюон. Известно, что при движении в воде быстро заряжённые частицы светятся. Это так называемое черенковское свечение. Регистрируя его приборами-фотоумножителями и определяя направление, мы узнаем, откуда прилетело нейтрино. Правда, обнаруживает себя, проявляется лишь одно нейтрино из миллиона.

    Когда академики выдвинули свою идею, никто не предполагал, что нейтринный телескоп сможет действовать на Байкале. Главным препятствием считалась относительно малая глубина озера - всего полтора километра. Для сравнения: приблизительно в то же врет американцы планировали построить подобную установку в Тихом океане, вблизи Гавайских островов, на глубине пять километров. Однако, как показал опыт, малая глубина озера -не помеха: уже больше 10 лет как телескоп улавливает частицы. Представьте несколько висящих неподвижно в толще воды вертикальных гирлянд. Ниже поверхности озера их удерживают поплавки, а на глубине примерно в километр - якоря. На тросах закреплены шаровые модули с фотоумножителями. Сигналы от датчиков по проложенным на дне кабелям идут на берег – в Центр управления, приёма и обработки данных. Для установки разработаны уникальные по чувствительности фотоприемники - приборы Квазар-370 с диаметром светочувствительной части (фотокатода) 37 см. Это самый большой фотоприемник, созданный в России. С начала и до настоящего времени все работы на Байкале возглавляет доктор физико-математических наук Григорий Владимирович Домогацкий (Институт ядерных исследований РАН). Среди участников эксперимента - физики Иркутского университета, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ, ДЕЗИ из города Цойтен, Германия. Вначале установка состояла из трёх коротких гирлянд с 36 фотоумножителями. Сегодня гирлянд 11, а фотоумножителей больше 200. Естественно, это не предел. В идеале измерительных комплексов - детекторов должно быть в несколько раз больше разместить их надо на площади в один кубический километр. Это ни много ни мало миллиард тонн байкальской воды. С начала 1990-х годов ряд университетов США, Германии, Швеции разрабатывает нейтринный телескоп на Южном полюсе, на станции Амундсен-Скотт. Сегодня там работает телескоп АМАНДА и создаётся установка объёмом в один кубический километр - IceCube, насчитывающая примерно пять тысяч фотоприёмников. Однако даже относительно небольшая, опытная байкальская установка дает учёным интереснейшие данные. Ведь по интенсивности потоков нейтрино, их энергии можно судить о процессах, происходящих в дальнем космосе, в частности, в объектах, выделяющих энергию в несравненно больших количествах, чем Солнце. В квазарах, например. Новое знание помогает познавать фундаментальные законы природы, связанные с существованием материи. Накапливаемые данные - основа построения теоретических моделей, которые в итоге могут привести к вполне осязаемым практическим результатам.

    Чем больше мы узнаём, тем больше возникает вопросов, касающихся, в частности, происхождения тёмной материи, источников ускорения до колоссальных энергий частиц, бомбардирующих Землю из космоса. Ответить на них поможет установка, обладающая необходимыми размерами. Можно ли её построить? Безусловно. Причем стоила бы она на порядок меньше, чем американская. У байкальского телескопа есть очень важное преимущество. Каждую зиму, когда толщина льда на озере достигает 40-60 см, сюда -съезжаются специалисты из многих научных организаций (на нижнем снимке). На льду мы разворачиваем лагерь и достраиваем, а если надо, ремонтируем установку, исполь¬зуя всевозможную технику. Поднимаем фотоумножители, чтобы заменить или отремонтировать. У американцев нет такой возможности, они действуют иначе. Придумали, например, машину, которая за три-четыре дня горячей водой протаивает во льду лунку диаметром 60 см и глубиной более двух километров. В лунку очень быстро, пока она не замерзла, опускают фотоумножители. _Они вмерзают в лёд и остаются там навечно.

    Нейтрино изучают едва ли не все ведущие мировые астрофизические лаборатории, для чего разрабатывают наземные, подземные и глубоководные телескопы, причем, увы, каждая свой. Три нейтринных телескопа строятся в Средиземном море: NESTOR (Греция), АNТАRЕS (Франция), NEMO (Италия). Трудно и, главное, дорого разворачивать установки в море, монтируя их с кораблей. Вот бы где применить принцип глобализации - объединив усилия, сделать одну общую установку! Можно в Средиземном море, а можно на Байкале. И там, и там есть свои плюсы и минусы. Средиземное море глубже, вода в нем прозрачнее. Однако байкальская вода обладает особыми оптическими свойствами, регистрация нейтрино даёт здесь больший эффект. Опять же учтём преимущества монтажа и ремонта установки с байкальского льда.

    ...Обо всём этом мы рассказываем участникам школы. Студентов интересует физика элементарных частиц, они охотно выступают с докладами и сообщениями. Молодёжь стремится попасть на практику, стажировку, а затем и на работу в Дубну или Москву, а потом и за границу. Но только не оставаться в Иркутске. Работы для них здесь практически нет, а если они её все же найдут, вряд ли она их устроит – зарплата мизерная.

    Школа закончилась, студенты и часть лекторов разъехались по домам, а часть отправилась в Тункинскую долину. Здесь физики враз переквалифицировались в строителей и электриков. И над бывшим полигоном ИрГУ разнеслось "эй, ухнем". То профессора с доцентами (и примкнувшим к ним корреспондентом "Поиска") сначала долго катили по полю (по кочкам, по кочкам!) катушку кабеля весом в полторы тонны, а затем разматывали её. И конца не было тому кабелю. На полигоне продолжаются работы по модернизации установки, регистрирующей Космические лучи сверхвысоких энергий. Возглавляет работы постоянный участник экспедиций на нейтринный телескоп, руководитель лабораторий НИИЯФ МГУ, доктор физико-математических наук Леонид КУЗЬМИЧЁВ.

    - Рой частиц, который образуется в результате взаимодействия космических лучей с ядрами воздуха, - говорит Леонид Александрович, - принято называть широким атмосферным ливнем (сокращенно ШАЛ). Частицы ШАЛ летят со скоростями, большими, чем скорость света, излучая черенковский свет. Это очень короткая вспышка, но её можно выделить на фоне ночного звёздного неба. По её интенсивности измеряют энергию первичных частиц, вызвавшей ШАЛ. Установка, регистрирующая черенковский свет, - это ряд фотоумножителей, "смотрящих" в ночное небо.

    Первая наша установка, на основе всего четырёх фотоприемников Квазар-370, была развернута на льду озера Байкал. Но работы на льду продолжаются всего один-два месяца, для длительных исследований нужно разворачивать установку на земле. Наше предложение поддержал крупнейший специалист по широким атмосферным ливням -академик Георгий Борисович Христиансен. Он направил к нам своего любимого ученика Василия Просина, имевшего большой опыт работы с такими установками. А помог осуществить идею Юрий Викторович Парфёнов из Иркутского госуниверситета, предоставивший пустующий полигон в Тункинской долине, вблизи посёлка Торы. Чем хороша Тунка для регистрации черенковского света от ШАЛ? Здесь очень прозрачный воздух, зимой много ясных, безоблачных ночей, а фонового света практически нет (посёлок находится в четырёх километрах). В Москве и Подмосковье такой эксперимент провести было бы просто невозможно. В 1996 году заработала установка Тунка-13, в 2000-м – Тунка-25. Цель наших работ – понять прмроду «излома» в энергетическом спектре космических лучей. Хотя Христиансен и Куликов открыли излом более 40 лет назад, его природа так до конца и не изучена. А ведь это одна из важнейших проблем астрофизики космических лучей. И наша задача – получить надёжные экспериментальные данные энергетического спектра и состава космических лучей.

    Мы пошли дальше - подготовили проект установки Тунка-133, по площади равной одному квадратному километру (в 10 раз больше площади Тунка-25). Цель эксперимента - выяснить, до каких максимальных энергий ускоряются космические лучи в нашей Галактике. Новая установка позволит продвинуться в область сверхвысоких энергий; к краю галактического спектра. Другая важная задача - понизить энергетический порог установки, состыковать наши данные с данными экспериментов, которые ведутся на высотных аэростатах и спутниках. В составе коллаборации, занимающейся этими исследованиями, - физики-экспериментаторы из НИИЯФ, ИЯИ РАН, Туринского университета, научного центра ДЭЗИ, теоретики из ИЗМИРАН. Общее научное руководство осуществляет директор нашего института Михаил Игоревич Панасюк.

    Создавая новую установку, мы стремимся всё делать сами: и зеркала мастерить, и кабель прокладывать, и электронику налаживать. Уверен: у нас получается не хуже, чем у профессионалов, и уж наверняка быстрее и дешевле. Это нормальное явление: физики-экспериментаторы, даже корифеи - и наши, и иностранные, не только за компьютерами работают. Руководитель байкальского проекта Григорий Владимирович Домогацкий участвует, например, в прокладке глубоководных кабелей. Видел фотографию, на которой известный американский физик Генри Собель отбойным молотком долбит стену. Вот уж в прямом смысле: знание - сила.

Юрий ДРИЗЕ

ПОИСК № 36(902), 8 сентября 2006