Проект «Дюманд»: фізична лабораторія в товщі океану

Назву «Дюманд» утворено з перших букв слів англійської фрази, що означає в перекладі: «глибоководна реєстрація мюонів і нейтрино». Чимало публікацій в нашому журналі було присвячено проблемі невловимого нейтрино – частинки, для якої практично не існує перешкод в нашому світі. Потоки нейтрино зі швидкістю світла пронизують нашу Землю, немов не помічаючи її. Нейтрино, що виникають в центрі звичайної зірки, миттєво пробивають товщу її, вириваючись на простори Всесвіту, а, скажімо, фотон, частка світла, витрачає на шлях від центру нашого Сонця до його поверхні в середньому мільйон років, переживаючи за цей час безліч перетворень.

Фотон, який досяг поверхні планети, не зможе проникнути вглиб більше ніж на п’ятдесят атомних шарів. Тому що на цій найкоротшій відстані він неодмінно зіткнеться з частинками земної речовини. Але потрібен шар свинцю товщиною в 35001 світлових років, щоб обов’язково зіткнулося з його частинками нейтрино. Однак це – саме щоб таке зіткнення сталося обов’язково. За законами ж квантової механіки частина нейтрино, нехай і нікчемна, стикається з протонами і нейтронами атомних ядер земної речовини і на незрівнянно менших відстанях. Саме з протонами і нейтронами ядер — атомні ядра в цілому для нейтрино являють собою конструкції ажурні, воно може пройти між частинками ядра, «не помітивши» їх.

Першим у світі понад п’ятдесят років тому саме академік Марков прийшов до висновку про можливість зареєструвати нейтрино високих енергій. Детально розробив проблему під керівництвом Маркова у своїй дипломній роботі студент Ігор Желєзних, тепер – Ігор Михайлович, відомий вчений. На основі цих теоретичних розробок були споруджені перші пристрої для реєстрації нейтрино – японцями і англійцями в Індії і американцями в Південній Америці. Пристрої розмістили в надзвичайно глибоких шахтах, які раніше використовувалися для видобутку дорогоцінних металів.

Космічні промені – так називаємо ми потоки частинок, що безперервно бомбардують Землю. Нейтрино – лише найменш помітна для планети їх частина. Виділити рідкісні зіткнення нейтрино з речовиною планети на тлі бурхливих і частих зустрічей з цією речовиною інших частинок куди важче, ніж почути під час канонади далекі оплески в долоні.

Вчені знайшли спосіб використовувати для вирішення проблеми ту саму байдужість нейтрино до перешкод. Фізики поставили на шляху космічних променів стіну з каменю, пішли підшар землі, яка зупиняє інші частинки крім несучих найбільшу енергію, але пропускає нейтрино. Але обсяг камери, поглибленої в землю, становить всього кілька тисяч кубічних метрів, а зловити вдається лише ті нейтрино, сигнали від зіткнень яких з протонами і нейтронами надходять на площу всього в двісті квадратних метрів.

Десятками на рік рахують зіткнення з речовиною в Баксанській лабораторії. А фізика елементарних частинок звикла вивчати реакції, що спостерігаються мільйони і мільярди разів на рік. Тільки тоді вдається з’ясувати деталі ходу таких реакцій.

Навіщо, однак, нам потрібно в подробицях знати, що відбувається при зустрічах нейтрино з речовиною?

Наші сучасні знання про глибинні властивості матерії в певному сенсі недалеко пішли від знань про світ стародавніх греків. Ті вважали, що все на світі складається з чотирьох стихій — вогню, води, повітря і землі. Ми ж вважаємо, що всі процеси у Всесвіті визначаються чотирма типами взаємодій між частинками і тілами:

• гравітаційною;
• електромагнітною;
• так званою сильною, характерною для ядерних реакцій;
• слабкою, що з’являється в деяких реакціях на рівні елементарних частинок.

Це-ті ж «чотири стихії» древніх, тільки визнані сучасною наукою, і ми так само, як стародавні греки, не розуміємо поки зв’язків між чотирма нашими «стихіями».

Згадаймо, що до Фарадея фізика різко відрізняла один від одного явища електрики і магнітні. Сьогодні є єдиний електромагнетизм. Але чи повинні так само об’єднатися в майбутньому і наші чотири типи взаємодій?

А то так і захочеться запитати, якби було у кого: Господи, навіщо тобі ці чотири форми? Але жодну з цих форм не можна описати до кінця окремо від інших. Світ побудований без архітектурних надмірностей, все в ньому, як показує реальність, взаємопов’язано. Відомі вчені С. Вейнберг і А. Салам запропонували теорію, що об’єднує електромагнітні і слабкі взаємодії, як роботи Фарадея і Максвелла об’єднали електрику і магнетизм.

Деякі положення цієї теорії перевірені в експериментах на сучасних прискорювачах. Інші ж просто не можуть бути ні підтверджені, ні спростовані, тому що експерименти для цього треба ставити з частинками гігантських енергій — таких, які не можуть бути досягнуті на прискорювачах, принаймні, в найближчі десятиліття.

Прискорювачі називають пірамідами ядерного століття, це величезні і дуже дорогі споруди, але поки максимальна енергія створюваних ними частинок «тільки» мільярди електрон-вольт. Для експериментів же, про які йде мова, потрібні частинки, що несуть багато трильйонів електрон-вольт.

Те, чого не може ще дати техніка, нам в достатку пропонує природа. Космічні промені багаті частинками надвисоких енергій. Треба «тільки» виділити з їх числа ті, які нам потрібні, перш за все — нейтрино.

Пішовши під землю, фізики на Північному Кавказі залишили між своїми приладами і космічними променями шар грунту, відповідний 600 метрам води. Океан може дати нам фільтр товщиною в кілька кілометрів. Більш активні, ніж нейтрино, частинки прореагують з водою в цьому шарі. Тільки нейтрино та інші високо-енергійні частинки, мюони, теж вельми цікаві для фізиків об’єкти проникнуть в «камеру».

Ідею використовувати океанську воду для лову нейтрино запропонував знову ж М. А. Марков. Вона жила, розвивалася. І ось американські фізики висунули проект підводного детектора, або, простіше кажучи, реєстратора нейтрино. Обсяг такого «приладу» за задумом вчених повинен був становити мільйон кубічних метрів води на глибині в п’ять кілометрів. Сьогодні у фізиків мова йде вже про мільярд кубометрів океану, про цілий кубічний кілометр, що важить мільярд тонн.

Але як можна перетворити кубічний кілометр тихоокеанської води в головну частину фізичної лабораторії?

Ось наденергічне нейтрино – тільки одне з багатьох квадрильйонів йому подібних – стикається з протоном, ядром атома водню або часткою ядра атома кисню. У зіткненні народжується лавина нових частинок, вже не таких невловимих, як зникле нейтрино. Початкова їх швидкість близька до швидкості світла в порожнечі. Швидкість світла у воді менше – і частинки по шляху сповільнюються, втрачаючи енергію. Ця енергія частково виділяється у вигляді черенковського світіння, названого так по імені першовідкривача цього явища вченого П. А. Черенкова.

Світіння Черенкова можна зареєструвати! Для цього треба «тільки» встановити у воді прилади, які його вловлять.

Кожен випадок такого світіння буде спійманий декількома пастками, вони відзначать шлях світлового променя, а цей промінь продовжує траєкторію нейтрино, що викликав його появу. Значить, ми дізнаємося напрямок нейтрино, що потрапив в камеру. Цікаво, якщо це нейтрино подолало по дорозі чотири кілометри води, прийшовши в камеру зверху, але ще цікавіше, якщо воно надійде в прилад знизу, з боку океанського дна, прорізавши всю товщу планети.

Ми дізнаємося, хоча б приблизно, яка частка, з якою енергією прийшла до нас, визначимо її шлях – і з’ясуємо, з якої ділянки неба вона вилетіла, якого типу космічне джерело її породило.

Дізнаємося невідомі раніше особливості взаємодії частинок при таких високих енергіях, а це може дати ключ до загадок будови матерії на самому глибинному рівні мікросвіту, дати фактичну основу для створення єдиної теорії фізичної будови Всесвіту.

Дізнаємося багато, про що ще не можемо здогадуватися,— адже всякий хороший експеримент дає більше, ніж чекають теоретики.

І ось з дна океану, з глибини приблизно п’ять кілометрів, підніметься ліс гігантських «водоростей» – кабелів, довжиною в 1600 метрів кожен. На «водоростях» повиснуть плоди метрів по шість в діаметрі — «світло-пастки», детектори черепковського світіння. Таких вертикальних кабелів, за попередніми даними, має бути приблизно 1260, світло-пасток на них — 23 тисячі. Ця шестикутна в перетині ажурна конструкція нагадує на малюнках осередок бджолиних сот – стародавній інженерний винахід живої природи.

Вертикальні кабелі відходять від горизонтальних, покладених на дні, а ті пов’язані з лабораторією, побудованою на березі.

Ідеї світло-пасток – два з гаком десятиліття. Фізики Г. А. Аскарьян і Б. А. Долгошеїн і американець Т. Боуен доповіли ще про одну можливість реєстрації зіткнень нейтрино з протонами і нейтронами.

Лавини частинок, що народжуються в таких зіткненнях, повинні нагрівати воду. Всього приблизно на мільйонну частку градуса – зате за нікчемну частку секунди. Розширюючись від нагрівання, вода видає звук – щось на зразок клацання. А звук можна почути у воді на відстані набагато більшій, ніж та, на якій можна побачити в ній слабке світіння. Пропонується доповнити «камеру» гідрофонами, підвішеними на кабелях до плавучих буїв. Їх можна розташувати порівняно далеко один від одного, устрій звукової пастки куди простіше, ніж світловий, і вона в десятки разів дешевше. Гідрофони дозволять ще розширити «камеру» – доповненням до мільярда кубометрів води з пастками обох типів повинні стати дев’яносто дев’ять мільярдів кубометрів океану, обладнаних тільки гідрофонами. Звук дасть нехай і менш повні, але теж нескінченно важливі відомості про нейтрино, а купуються вони куди більш дешево.

Наденергічні нейтрино приходять на Землю не від сонця (воно породжує нейтрино менших енергій), а від зірок, що перетворюються в знамениті пульсари і «чорні діри», їх породжують далеко не ясні нам події в ядрах галактик й інші процеси жахливих енергій.

Здійснення проекту «Дюманда» – єдиний реальний сьогодні спосіб відповісти на давнє питання, чи є зірки і галактики, що складаються з антиречовини, говорить американський астрофізик Лейрид. Крім нейтрино існують адже і антинейтрино; і кількісне співвідношення цих частинок в потоці космічних променів, що посилаються джерелом з антиречовини, має бути іншим, ніж в потоці, що йде від «звичайного» космічного джерела.

Нейтрино «придумали» для того, щоб пояснити, куди дівається частина енергії при розпаді нейтрона на протон і електрон. Це було зроблено, щоб «підігнати» енергетичний баланс такої реакції під фундаментальний закон збереження енергії.

«Втрачена» при розрахунках частина енергії була нікчемна. Але фізики в таких випадках поводяться настільки ж прискіпливо, як старий бухгалтер,— той, підраховуючи мільйонні підсумки, може багато діб шукати копійку, без якої баланс не сходиться.

Маленька частинка (нейтрино адже і значить приблизно «маленьке нейтральне») виручила тоді вчених. Вона ж змусила їх потім будувати гігантські установки, щоб її зареєструвати. В останні роки результати реєстрації нейтрино, що йдуть від сонця, змусили засумніватися в наших усталених вже уявленнях про процеси, що дають енергію світилу, а значить, і всім нам. За розрахунками, у вже існуючих нейтринних пастках має реєструватися більше сонячних нейтрино, ніж фіксується в них насправді.

Хто може заздалегідь передбачити, які істини сучасної астрофізики будуть підтверджені, які спростовані даними, отриманими на «Дюманді»?

Автор: Р. Подольный