Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №10 за 2005 год

Нейтрино появилось в науке как умозрительное дитя физика-теоретика Вольфганга Паули. Он ввел в обиход нейтрино, пытаясь «спасти» закон сохранения энергии при бета-распаде. Причем «умозрительность» нейтрино, которое не должно было иметь ни электрического заряда, ни массы (так же, как и фотон), была настолько мучительной для самого автора открытия, что он признался своему другу астроному В. Бааде: «Сегодня я сделал нечто кошмарное. Физику-теоретику непозволительно так поступать ни в коем случае. Я выдумал частицу, которую никогда нельзя будет обнаружить экспериментально». Действительно, шансы зарегистрировать частицу, не имеющую ни заряда, ни массы, тогда, в 1930 году, казались минимальными. Тем не менее Бааде предложил другу пари на бутылку шампанского, что еще при их жизни нейтрино можно будет увидеть. И он выиграл это пари. В 1956 году американцы Ф. Рейнес и К. Коуэн во время эксперимента «Полтергейст» на реакторе ядерного комплекса «Саванна Ривер Сайт» в Южной Каролине сумели достоверно зарегистрировать одну из разновидностей нейтрино. Телеграмма с известием об этом была отправлена Паули в Европу. Угощая друзей шампанским, В. Паули, нобелевский лауреат 1945 года, еще не знал, что пьет и за здоровье будущего нобелевского лауреата 1995 года Ф. Рейнеса, премированного именно за экспериментальное открытие нейтрино. К. Коуэн, к сожалению, не дожил до этого дня.

Нейтрино – электрически нейтральная стабильная элементарная частица с массой покоя, близкой к нулю. Главная ее особенность состоит в том, что она, достаточно легко рождаясь в самых разнообразных ядерных реакциях, категорически не хочет умирать, вступая во взаимодействие с другими элементарными частицами. А без превращения нейтральной частицы, летящей практически со скоростью света, во что-то более «визуальное» обнаружить нейтрино невозможно. Вариантов такой «визуализации» невидимки теоретически достаточно много, но на практике все оказывается сложнее.

Первый тип реакций с участием нейтрино зарегистрировали ученые Рейнес и Коуэн в 1956 году. Это был «обратный» бета-распад, где реакторное антинейтрино, взаимодействуя с протоном, порождало нейтрон и позитрон. Созданная для исследований установка «Полтергейст» состояла из чередующихся баков с водой (200 л) и жидким сцинтиллятором (1 400 л). Ноу-хау метода состояло в том, что сначала регистрировали аннигиляцию позитрона и электрона, а вместе с ней через несколько микросекунд реакцию с участием нейтрона. Другие события не давали такой «сдвоенной» картинки. Так удалось добиться «отсечения» фона и обнаружить частицу, введенную Вольфгангом Паули в число элементарных еще в 1930 году.

Второй тип реакций для регистрации нейтрино предложил в 1946 году, еще до своего переезда в СССР, итальянец Бруно Понтекорво. В качестве мишени для нейтрино он рекомендовал жидкость, содержащую атомы хлора-37. При взаимодействии с нейтрино хлор должен был превращаться в аргон-37, который можно обнаружить по его радиоактивному распаду. Американский ученый Реймонд Дэвис, нобелевский лауреат 2002 года, первым применил этот метод в экспериментах с реакторными и солнечными нейтрино.

Позднее физики стали использовать реакцию превращения галлия-71 в германий-71 при взаимодействии с нейтрино. Германий также был радиоактивен с достаточно коротким периодом полураспада в 11 дней. Для осуществления эксперимента, например, на российской астрофизической станции на Кавказе в Баксанском ущелье, вблизи Эльбруса, потребовались десятки тонн чрезвычайно дорогого галлия.

Естественным кандидатом на роль среды-детектора стала вода, начиная со специально очищенной – в искусственных бассейнах и баках и заканчивая Мировым океаном. Идея подводной регистрации нейтрино по черенковскому излучению в естественных водоемах быстро завоевала сторонников и в СССР, и в США. В период «оттепели» 70-х годов интенсивно начались совместные работы. Американцы решили использовать глубокие воды Тихого океана вблизи острова Гавайи, а отечественные ученые – уникальную пресноводную жемчужину – глубокие воды озера Байкал. К сожалению, наметившееся тесное сотрудничество советских и американских физиков по нейтринным телескопам на основе эффекта Вавилова – Черенкова прервалось после ввода советских войск в Афганистан.

Почему же детекторы нужно было разместить достаточно глубоко – не менее чем на 1 км? Во-первых, следовало уменьшить помехи от космических лучей, во-вторых, защититься от солнечного света, в-третьих, уйти из зоны активной подводной жизни (например, от люминесцирующих организмов), которая также способна создавать помехи для измерений. Большие опасения в тот начальный период вызывал вопрос: достаточна ли прозрачность воды для наблюдений черенковского излучения на больших расстояниях? Оказалось, что прозрачность океанских глубин в 4 раза больше, чем ожидалось. Также благополучно разрешилась проблема прозрачности и для Байкала. Любопытно, что тогда, в середине 70-х годов, никто не стал рассматривать возможность использования ледяного детектора, так как все были уверены, что его прозрачность будет недостаточной.

Практические работы по проекту нейтринного телескопа первыми начали американцы в 1976 году, окрестившие его звучным именем DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector). Океанская площадка для проекта была подобрана в 30 километрах от гавайского берега на глубине 4 800 м вблизи мыса Кихоул Пойнт. С конца 70-х годов на площадке начались обширные океанографические исследования. Ведь подводные течения или частые штормы могли существенно осложнить эксперимент.

По окончательным планам проекта DUMAND, от дна к поверхности океана планировалось поднять девять «гирлянд», или «струн», а на них, словно елочные шары, разместить «оптические модули» – фотоумножители с необходимой обслуживающей электроникой. Энергия должна была подаваться с берега по металлическим кабелям, а обмен информацией идти по кабелям оптоволоконной связи. Струны образовывали восьмиугольную конструкцию (одна из струн в центре) с площадью сечения около 20 000 м2 . Все дальнейшие большие нейтринные телескопы так или иначе придерживались этой общей конструкции.

К сожалению, до конца проект DUMAND не довели. Были проведены только настроечные опыты с короткими струнами-прототипами. Заготовленные оптические модули передали новой программе по нейтринной астрономии в Средиземном море вблизи берегов Греции – проекту NESTOR (Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research), который стал прямым наследником и продолжателем проекта DUMAND.

Исследования нейтрино с помощью другого наследника DUMAND – проекта ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch), базируются во Франции. Площадку для этого проекта подобрали недалеко от Тулона, там, где глубина Средиземного моря составляет около 2 400 м. Сейчас проводится обширный цикл измерений прозрачности воды, оптического фона, биологического обрастания оптических поверхностей, силы течений и других океанографических характеристик. Сама конструкция нейтринного телескопа примерно та же, что и в проекте DUMAND: десять вертикальных струн с тысячью оптических модулей каждая, которые располагаются на площади в 0,1 км2 . Ближайшие ко дну модули помещаются на высоте около 100 м, а вся «активная» зона телескопа занимает 300 м по высоте. Следовательно, объем, в котором находятся оптические приемники, составит около 30 млн. м3 . Как и в DUMAND, питание и связь осуществляются с берега. «Боевое» применение ANTARES и сбор реальных экспериментальных данных начались с 2004 года.

В исследованиях, проводимых с помощью отечественного нейтринного телескопа НТ-200, расположенного около южного берега Байкала, немалую позитивную роль сыграл лед, причем не как оптическая среда для наблюдений, а как стабильная рабочая площадка, с которой удобно монтировать и заменять оборудование. Место для телескопа было выбрано в 3,6 км от берега на глубине 1,1 км. Зимой во льду вырубали полынью, через которую поднимали и опускали «гирлянды» с оптическими модулями. Работы на Байкале начали с 1980 года, и сейчас они проводятся прежде всего силами физиков МГУ, Института ядерных исследований, Иркутского университета и немецкими учеными из Цойтена (DESY, Общество Гельмгольца). В настоящее время установлены 8 струн со 192 оптическими модулями, которые связаны с берегом тремя кабелями. Эффективный объем детектора (около 200 000 м3) еще недостаточен для регистрации редких нейтринных событий, но уже разработаны планы его стократного увеличения. В 1996 году НТ-200 первым из телескопов, использующих природные среды в качестве детектора, зарегистрировал ряд нейтринных событий, хотя они и не относились к внеземным объектам. «Морские» и «озерные» нейтринные телескопы пока не дали астрофизических результатов, но оказались вполне пригодными для изучения, например, мюонных потоков космических лучей и атмосферных нейтрино. Отметим также, что описанные проекты расположены в Северном полушарии и через «фильтр» земного шара будут смотреть на южное звездное небо.