Знание-сила, 2005 № 08 (938)

Проект OPERA

В январе 2005 года были подведены итоги III Российского конкурса научно-популярных статей, по итогам которого третье место заняла наш постоянный автор Валентина Ивановна Гаташ.

Сегодня мы публикуем статью, удостоенную награды на конкурсе.

Возможности высокого искусства и высоких технологий объединил проект «Жернова времени», который экспонировался на Венецианском биеннале современного искусства. Так назвал свою композицию, олицетворяющую неумолимый ход времени, киевский художник Виктор Сидоренко. Перед плоскостью фрески с изображением героев располагается светящийся синим светом загадочный конус, который воспринимается зрителями как некий символ непостижимой вечности. Синий кристалл, изготовленный специалистами Института спинтилляционных материалов НАН Украины, стал той изюминкой в стиле Hi-Tech, которая придала проекту художника новую глубину.

Наверное, зрители биеннале были бы разочарованы, узнав, что геометрически правильная прозрачная глыба из пластмассы высотой и диаметром в 60 сантиметров изготовлена из полистирола, из которого делают одноразовую посуду. А синее свечение объясняется включением специальных добавок — люминофоров. Под действием скрытой от зрителей ультрафиолетовой лампы они светятся равномерно по всему объему конуса и вызывают у зрителей ощущение некоего мистического сияния.

Правда, здесь был использован не простой полистирол, а функциональный материал, который благодаря особой технологии изготовления может светиться под действием любого ионизирующего излучения, в том числе ультрафиолета. Такого рода материалы называются сцинтилляторами, а возникающие в них микроскопические световые вспышки — сцинтилляцией. Участие харьковчан в.художественном проекте — это лишь частность на фоне международных научных и технических проектов института.

Один из них — крупномасштабный проект OPERA, который является коллективным творчеством ученых многих стран Европы. Ученые хотят получить нейтрино с помощью протонного ускорителя Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве и зарегистрировать их с помощью экспериментальной установки в Лаборатории Гран Сассо в Италии. В Страсбурге уже прошли успешные испытания одного из базовых элементов детектора, в основе которого — сцинтилляторы, разработанные и произведенные специалистами Харькова.

Вместе с харьковчанами работают ученые Объединенного Института ядерных исследований (Дубна, Россия). Это — яркий пример сотрудничества российских и украинских ученых в сфере создания новых высоких технологий и материалов для новых экспериментов в области физики. В международном проекте участвуют и другие российские институты, каждый из которых трудится над своей частью общей разработки.

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, Буратино, как известно, с ловкостью проходил 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 в полете 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».

V физиков долго не было ответа на вопрос, есть ли у нейтрино масса — традиционными способами ее измерить не удавалось. 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 равна 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 — это окно в новую физику?

Поймать и исследовать загадочного «Буратино микромира» и будут пытаться участники OPERA. Кстати, хотя эта аббревиатура расшифровывается как Oscillation Project with Emulsion-tracking Apparatus, торговым знаком проекта является изображение оперного зала.

Директор Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, доктор физико-математических наук А. Г Ольшевский согласился ответить на некоторые вопросы по поводу проекта.

— Александр Григорьевич, как именно будет проводиться эксперимент?

— В ЦЕРНe с помощью пучка протонов в протонном ускорителе будет сформирован направленный пучок нейтрино. Практически со скоростью света он мгновенно пролетит под землей 730 километров до Лаборатории Еран 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 ЦЕРНa не содержалось. 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», которые состоят из многих слоев фотоэмульсий и свинца. Между «кирпичами» закладывается так называемая система целеуказания из разных детекторов-сцинтилляторов для измерения параметров образующихся продуктов реакции. Автоматика регистрирует факт такой сцинтилляции, 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.

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 10x10x100 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 харьковскими коллегами мы делаем расчеты и моделирование установки, 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 на Украине в кратчайшие сроки. Общеевропейский конкурс показал несомненное преимущество харьковчан, в результате чего Институт спинтилляционных материалов НАНУ и получил этот серьезный европейский заказ.

Предполагается, что сам эксперимент начнется 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.

— Допустим, ученые, участвующие в проекте OPERA, поймают нейтрино...

— OPERA — это не первый, но и далеко не последний проект для охоты за многоликим нейтрино. Впереди у физиков — поиск нейтрино от сверхновых звезд, изучение атмосферных нейтринных аномалий, исследование антинейтрино. Есть еще одна задача — обнаружить космическое нейтринное реликтовое излучение, которое несет информацию о Вселенной спустя всего 1 секунду после начала ее расширения. Для этого нужны новые и новые эксперименты.

Сцинтилляторы активно используются сейчас везде, где есть необходимость в высокоэффективных, точных и быстродействующих детекторах ионизирующего излучения, откуда бы оно ни исходило — из естественного или искусственного материала, из тела человека или глубин космоса. Это физика высоких энергий, ядерная медицина и атомная энергетика, химия, биология, геология, радиационный мониторинг среды, определение содержимого радионуклидов в пищевых продуктах, строительных материалах и так далее.

До сих пор в роли сцинтилляторов использовались в основном монокристаллы или обладающие соответственными свойствами жидкости. Сейчас на мировую авансцену вышла более дешевая пластмасса. В мире, в том числе в Харькове, разрабатываются технологии выращивания сцинтилляторов самых разных размеров и конфигурации — гибких, поликристаллических большой площади, комбинированных на основе «пленка-кристалл», с регулируемым распределением выхода света и так далее. Создаются все более универсальные и сложные научные экспериментальные установки с крупногабаритными детекторами типа «сэндвич», которые содержат несколько десятков тонн сцинтилляторов в виде листов. Стрипов, тайлов, блоков.

В зависимости от конкретного заказа образец должен выдерживать и различные параметры. Например, для одной задачи нужна механическая точность размеров, которая предполагает, что на 7 метрах длины погрешность должна составлять не более одной десятой миллиметра. А в экспериментах на ускорителях Дубны, где сцинтилляторы работают в мощных полях излучения, необходимое условие — радиационная стойкость.

Сейчас харьковчане владеют самым крупным в Европе производством сцинтилляторов на базе полистирола. В основу разработок положены ноу-хау и научно-технические разработки, приоритет которых защищен многочисленными патентами, свидетельствами на изобретение, научными публикациями. Часть работ фундаментального характера оплачивает государство, поскольку институт принадлежит Национальной академии наук Украины. Именно такая поддержка государства во многом помогает харьковским ученым стать полноправными участниками мирового рынка высоких технологий и зарабатывать на продаже сцинтилляторов.