Охота на нейтрино. Как в подземельях Кавказа ловят частицу-призрак

Ученые давно охотятся за нейтрино. Рожденные в недрах Солнца, эти частицы позволяют понять, что происходит внутри нашего светила. А выброшенные всплеском сверхновых звезд — рассказывают о глубоком космосе. Излучаемые недрами Земли нейтрино имеют малую энергию и пока не пойманы, но в будущем они наверняка дадут информацию и о нашей планете. Возможно, нейтрино удастся использовать для связи на больших расстояниях, глубоко под водой и под землей — ведь они движутся почти со скоростью света, не имеют заряда и пролетают сквозь все, что попадается на пути, не взаимодействуя с материей. Почти не взаимодействуя — иногда они все же сталкиваются с атомами, чем и пользуются в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии, одной из важнейших для мировой науки точек на карте. Здесь, в глубоком подземелье, работают сразу два нейтринных телескопа.

3500 метров вглубь земли

Те, кто бывал у подножья Эльбруса с юга, наверняка обращали внимание на табличку с названием населенного пункта «Нейтрино» незадолго до Терскола. В череде этнических названий поселений научное словечко выглядит необычно. Однако с трассы ничего странного разглядеть не получится. Дорога тут уходит к научному корпусу, а чуть дальше на холме расположились несколько высотных домов, где живут ученые, инженеры и техперсонал. А самое интересное, «сердце Нейтрино», находится по другую сторону ущелья, за рекой Баксан — сооружения построены прямо под горой. Такое расположение позволяет во много раз снизить фоновое радиационное излучение, которое может повлиять на результаты экспериментов.

Через бурный поток перекинут подвесной мост. С одной его стороны висит табличка «Лавиноопасная зона». Наш попутчик, физик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Горбачев говорит, что в 2003 году здесь сошла лавина. Она разрушила техническую постройку, буквально сровняла ее с землей, снесла остановку у дороги. Снежная крошка тогда залепила окна жилых домов на другой стороне склона.

А вот в середине 90-х объект пострадал уже от рук человека. Ночью неизвестные захватили электровоз, на котором передвигаются по километровым тоннелям, и устроили погром в лабораториях. С тех пор вход под гору стали охранять, а все помещения закрывать на замки.

У входа в штольню уже стоят люди, как они сами говорят, «ждут метро». Вскоре подъезжает и состав, хотя жители крупных городов вряд ли узнают в нем привычные для метрополитена вагоны. Электровоз, больше похожий на поставленный на рельсы прямоугольник с двумя несимметрично расположенными фарами, тянет за собой по узкоколейной железной дороге вагонетки. Работу транспорта обеспечивает целый штат железнодорожников, а поезд ходит строго по графику. Не успел? Придется пройти несколько километров пешком в полной темноте.

В пути можно вздремнуть, до места назначения — около 20 минут вглубь горного массива. Состав несколько раз останавливается: иногда кто-то выходит к своей лаборатории, а иногда нужно открыть очередные ворота — чтобы сразу за поездом вновь закрыть.

Наконец мы на месте. Отметка — 3500 метров. Это конечная остановка для большинства пассажиров. Состав же отправляется еще дальше.

Как увидеть нейтрино?

В просторном помещении — бытовка, где все сотрудники в обязательном порядке переобуваются. Мы к этому не готовы, и нам выдают бахилы. Дежурный проверяет пропуски, выдает ключи. И вот мы проходим через высокие ворота с надписью «Галлий-германиевый нейтринный телескоп». Сокращенно — ГГНТ.

— Здесь каждый день проводят влажную уборку, а сменная обувь нужна, чтобы не заносить из шахты пыль и грязь, — рассказывает Валерий, пока мы идем по просторным помещениям телескопа, — Все объекты на поверхности, да и порода внутри горы содержат радиоактивные изотопы. Они могут повлиять на результаты экспериментов. Поэтому стены телескопа сделаны из специального бетона с низким содержанием радиоактивных элементов и обшиты металлическими листами. Такая защита снижает радиационный фон в десятки миллионов раз.

Когда телескоп расположен под горой, говорить о классической трубе с зеркалами и линзами не приходится. Ничего этого здесь нет и в помине. «Сердце» ГГНТ состоит из 50 тонн галлия, легкого металла с температурой плавления в 30 градусов. Он помещен в реакторы, где и взаимодействует с нейтрино — элементарной частицей, у которой отсутствует заряд и которая практически не вступает во взаимодействие с веществом.

Нейтрино рождаются в недрах Солнца в процессе термоядерных реакций и сразу же уносятся в космос. Часть из них долетает до Земли, но из-за своих свойств пролетает сквозь планету и почти с ней не взаимодействует. Поймать удается только ничтожную часть.

В мире существуют несколько установок по регистрации этих неуловимых космических странников. Технология с использованием галлия — уникальная в своем роде. По словам Горбачева, ГГНТ регистрирует нейтрино малых энергий, на что другие детекторы не способны.

Но, даже поймав, увидеть нейтрино нельзя. Можно только зафиксировать последствия их взаимодействия с веществом. Так в ГГНТ ловят одну из трех разновидностей — электронные нейтрино. Они врезаются в ядро галлия и превращают его в изотоп германия-71, который находится в соседней ячейке таблицы Менделеева. Раз в месяц из галлиевой мишени (именно так называют специалисты 50 тонн этого элемента) извлекают образовавшийся таким образом германий.

— В среднем за месяц образуются всего около 30 атомов. Представляете, каких трудов стоит извлечь их из многотонной массы? — говорит Валерий. — Для этого мы добавляем 250 микрограммов германия, но другого, нерадиоактивного. Потом с помощью химических реакций извлекаем его, помещаем в специальный счетчик, и он определяет количество радиоактивных атомов.

Кстати, во время извлечения германия инженеры остаются в лаборатории на сутки — испытание не из легких. Поэтому здесь стоит аквариум, хотя из-за окружающей атмосферы сначала кажется, что над рыбками проводят опыты.

Мы перемещаемся в помещение, где подсчитывают число образовавшихся изотопов. Увидеть сам счетчик не удается — его скрывают свинцовые блоки, которые, к слову, здесь повсюду.

— Это чистый, нерадиоактивный свинец. Он защищает счетчики от внешнего излучения, которое может повлиять на чистоту эксперимента, — поясняет Горбачев.

К нам присоединяется один из сотрудников. В его обязанности входит ревизия имеющихся радиоактивных элементов. Валерий достает из сейфа металлический контейнер с характерным символом радиации, открывает его и смело берет в руки источники излучения.

— Конечно, глотать их не стоит, но в руках подержать можно, — шутит он.

Стерильные нейтрино: поймай, если сможешь

Оказывается, регистрация солнечных нейтрино — повседневная рутина, которую выполняют сотрудники ГГНТ уже много лет. Но сейчас они готовят новый эксперимент, который может принести Нобелевскую премию.

— Науке известны три типа нейтрино — электронные, мюонные и тау-нейтрино. И они могут превращаться друг в друга, когда проходят большие расстояния. Есть также гипотеза о существовании четвертого типа — стерильного нейтрино, которое вообще не взаимодействует с веществом, — рассказывает Горбачев.

Именно стерильные нейтрино тут и собираются искать.

Новая установка будет представлять собой бак с радиоактивным источником, в который перекачают 50 тонн галлия. Изотопы будут испускать нейтрино, которое так же, как и в ГГНТ, станут превращать галлий в германий. А дальше — привычная процедура подсчета новообразовавшихся атомов. Вообще не взаимодействующие с веществом стерильные нейтрино будут искать… по их отсутствию. Когда ученые ожидают обнаружить определенное количество событий, а фактически их оказывается меньше, резонно предположить, что недостающее количество взаимодействий приходятся на эти неуловимые частицы. Конечно, предварительно нужно избавиться от всех побочных факторов, которые могут привести к таким же результатам и внести смуту в подсчеты.

Для нового эксперимента уже есть большая часть необходимого оборудования: бочка и 50 тонн галлия. Еще нужно закупить радиоактивный источник, но пока нет финансирования.

— Для запуска проекта нам нужно 300 миллионов рублей. Сумма эта не такая большая, как может показаться, тем более что научные результаты мы получим уже спустя пять лет после запуска проекта, — поясняет физик.

Подземные источники и темная материя

До отправления электровоза остается меньше часа, и мы спешим дальше вглубь тоннеля — до отметки в 3800 метров. Идем пешком, и, когда отходим от входа в ГГНТ, нас окутывает тьма. Слышен звук бьющих из-под земли нарзанных источников. Пить эту воду никто не решается, зато источники создают причудливые сталактиты и сталагмиты. Сотрудники лабораторий откалывают их и показывают гостям.

Впереди появляется свет, и вскоре мы подходим к лаборатории низкофоновых исследований. Здесь нет грандиозных построек, поэтому на сравнительно небольшой территории проводят сразу несколько экспериментов. Почти все они преследуют практические цели.

Так, германиевый низкофоновый сверхчистый полупроводниковый детектор помогает обнаружить материалы, в которых почти отсутствуют нестабильные изотопы. Здесь ищут материалы для других научных экспериментов, объясняет научный сотрудник лаборатории института ядерных исследований Владимир Казалов.

— Во многих опытах требуются материалы, в которых очень мало тория и урана и продуктов их распада. Здесь мы отбираем образцы из тех, что нам присылают, — говорит он.

У детектора серьезная защита. Изнутри это медь и свинец, а сверху его покрывает борированный пластик.

В соседнем помещении за 15-сантиметровой свинцовой дверью — установка для исследования сцинтилляторов на наличие углерода-14. Сцинтилляторы — это вещества, которые обладают способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения. Их используют в том числе для регистрации нейтрино. А вот углерод-14 — радиоактивный изотоп. По словам Владимира Казалова, когда в эксперименте нужен сцинтиллятор на основе углерода, радиоактивность только мешает. Поэтому в лаборатории низкофоновых исследований создали установку для поиска сцинтилляторов с низким содержанием углерода-14. Найти такой природный источник очень сложно.

В следующем помещении находится установка по поиску адронных аксионов — гипотетических частиц-кандидатов на темную материю. Пока их обнаружить не удалось.

— Как-то мой коллега из Москвы, он занимается поиском темной материи, подходит ко мне и спрашивает: «Вы открыли что-нибудь? Не открывайте. Еще рано», — шутит Казалов.

Кстати, пока мы переходим из одного помещения в другое, температура вокруг заметно вырастает. Без искусственной вентиляции воздух здесь может прогреться до 40 градусов и выше: содержащиеся в горной породе радиоактивные элементы в результате распада выделяют тепло, оно здесь и накапливается.

Старый телескоп для сверхновых звезд

Подъезжает электровоз. На этот раз дорога занимает меньше времени, так как мы остановились примерно в километре от поверхности. Нас встречает физик Мусаби Болиев. Он ведет нас к самой старой постройке под горой — Баксанскому подземному сцинтилляционному телескопу (БПСТ), построенному в 1977 году.

Телескоп представляет собой сооружение высотой в четырехэтажное здание. Он состоит из баков, заполненных керосином, в котором растворен сцинтиллятор. В каждый бак вставлен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Всего их 3186 штук. Изнутри бак покрыт белой эмалью, которая отражает фотоны.

Если в ГГНТ регистрируют электронные нейтроны малых энергий, то этот телескоп ловит мюонны. Они образуются, когда мюонное нейтрино врезаются в атом. Эти заряженные частицы «прошивают» сцинтиллятор, в результате чего рождаются фотоны. Отражаясь от стенок емкостей, они попадают в ФЭУ — сигнал от них многократно усиливается и поступает в компьютерную систему для анализа.

— В момент строительства многие не верили, что установка будет работать. В каждом умножителе напряжение тока от 1600 до 2000 вольт. Сигналы от них нужно синхронизировать так, чтобы все они поступали в аппаратуру одновременно, — говорит Болиев.

Возраст у телескопа почтенный, но он работает без сбоев. ФЭУ, которых в 70-е закупили в большом количестве, сейчас стоят в коробках вдоль стены. Большая часть из них до сих пор не понадобилась.

Однако, несмотря на то что телескоп был построен почти 40 лет назад, сегодня он решает фундаментальные задачи физики. Кроме статистической информации о солнечном нейтрино, БПСТ регистрирует катастрофические события в далеком космосе — такие как взрывы сверхновых звезд.

Время возвращаться, и Мусаби Болиев берется проводить нас обратно, к поверхности. На этот раз идем пешком. Всё, как в известном выражении — «свет в конце тоннеля», к которому мы и шли.

***

Современная поп-культура создает ауру загадочности вокруг таких объектов: подземная лаборатория, научные исследования, радиоактивность. Шум капающей воды в темноте да свист никогда не утихающего ветра… Реальность оказывается гораздо более впечатляющей. Тут не боятся излучения, потому что знают его природу и умеют с ним обращаться. Нет легенд и сказок про духа горы, потому что тут работают люди научного взгляда. Находясь здесь, чувствуешь причастность к чему-то великому. Связь с космосом и, если уж на то пошло, со всем прогрессивным человечеством, интересующимся научными проблемами.