Нейтрончик из проруби

Ольга Рубан
22 июля 2002, 00:00

На дне Байкала российские астрофизики ловят нейтрино - те самые неуловимые частицы, которые могут рассказать о "черных дырах" и "темной материи"

Знаменитый физик Энрико Ферми пришел в ужас, когда осознал, что результаты целой серии его экспериментов опровергают фундаментальный закон физики - закон сохранения энергии. По сути, это означало, что физику, царицу естествознания, следовало сдавать в архив. И тогда нобелевский лауреат сделал крамольную вещь - он выдумал "теоретическую" частицу, которая, чтобы спасти честь закона сохранения энергии, должна была обладать нулевым зарядом и иметь близкую к нулевой массу. Ферми так и назвал ее нейтрончиком - что-то маленькое и нейтральное. По-итальянски это звучало как "нейтрино".

Сегодня нейтрино - объект изучения мощных научных лабораторий во всех уважающих себя странах мира. Из-за своей ничтожно малой массы и отсутствия заряда оно практически не взаимодействует с веществом - для него проницаемо всё и вся, в том числе планеты, звезды и галактики. Эти частицы беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю сведения об интереснейших процессах, свидетелями которых они были несколько минут или несколько миллиардов лет назад.

О многих труднообъяснимых для нас явлениях во Вселенной может рассказать нейтрино высоких энергий, но для его обнаружения нужны детекторы-регистраторы с колоссальным объемом чувствительного вещества, примерно в кубический километр. Понятно, что установку с такими габаритами можно создать только в естественной среде, а на роль чувствительного вещества лучше всего подходит вода. Мучения европейских и американских физиков на протяжении двух последних десятилетий показали, что создать такой детектор ничуть не легче, чем орбитальную станцию. Помимо десятков миллионов долларов и оригинальных технологий нужен еще и подходящий естественный водоем.

Первая регистрирующая установка, пока единственная в своем роде, уже действует в России. В конце 90-х отечественным ученым удалось разработать и смонтировать уникальный нейтринный детектор в глубинах озера Байкал. Возможности его настолько широки, что Россия еще по крайней мере лет десять будет сохранять лидирующие позиции в области нейтринной астрофизики.

Что физики прячут под водой

Байкальский нейтринный телескоп (так официально именуется детектор) состоит из восьми вертикальных гирлянд - нанизанных на трос отдельных шаровых модулей. Гирлянды, или, как их здесь называют, стринги, собраны в единую зонтикообразную конструкцию. Это ажурное сооружение растянуто между якорями (внизу) и целой системой поплавков (вверху) и висит под водой неподвижно. Все поплавки находятся ниже поверхности озера, самый верхний из них - на глубине двадцати метров. Те шары, что закреплены на тросах попарно, - это фотоэлектронные умножители, разработчики назвали их "Квазарами". Эти приборы - ключевые во всей установке: они регистрируют так называемое черенковское излучение - вспышки света, которыми в отдельных случаях сопровождается прохождение нейтрино сквозь толщу воды. Одиночные шары в гирлянде - служебные управляющие модули.

Сигналы от "Квазаров" уходят по проложенным по дну кабелям на берег, в бревенчатую избу с русской печью, где располагается Центр управления, приема и обработки данных телескопа, или просто Береговой центр. Когда-то очень давно эта изба была частью инфраструктуры железной дороги, сейчас она от пола до потолка заставлена серыми металлическими ящиками - блоками электронной аппаратуры на основе транспьютеров, которые осуществляют первичную обработку и запись данных. В дальнем углу мигают крохотными разноцветными лампочками поставленные друг на друга управляемые источники питания каждого стринга.

Поскольку подводная конструкция отклоняется в стороны, на дне в радиусе шестиста метров вокруг "зонтика" с гирляндами установлены акустические датчики, которые отслеживают местоположение каждого "Квазара" в каждый момент времени и передают все координаты в Береговой центр. Эти данные необходимы для определения траекторий нейтрино, "засветившихся" в воде Байкала.

Ближайшие к Байкальскому телескопу источники нейтрино - Солнце и атмосфера нашей планеты, где нейтрино рождается под воздействием космических лучей. Этими частицами заполнено все пространство - к примеру, сквозь фалангу вашего пальца каждую секунду проносится шестьдесят миллиардов нейтрино, а в воду Байкала сыплется настоящий ливень этих частиц. Однако далеко не все они обнаруживают себя: как уже говорилось, нейтрино почти не взаимодействует с веществом, поэтому вспышкой, которую могут увидеть приборы, сопровождается прохождение через установку всего лишь одной частицы из каждого миллиона. Задача регистрации нейтрино осложняется и тем, что вместе с ним в воду Байкала попадают миллиарды других элементарных частиц космических лучей, которые дают о себе знать точно такими же вспышками.

На практике это осложнение проявляется так: "Квазары" регистрируют в среднем десять вспышек в секунду, почти 900 тыс. в сутки - и это при условии, что километровая толща воды над фотоумножителями телескопа отсекает большую часть посторонних частиц, которые сыплются в озеро сверху. Какие же из этих сотен тысяч вспышек являются следами нейтрино? Чтобы понять это, ученым приходится обрабатывать каждую из зарегистрированных вспышек и определять траекторию каждой частицы, оставившей световой след. Из них выбираются те, что двигались снизу вверх - то есть не упали в воду сверху, а прошли перед этим сквозь земной шар. Это и есть нейтрино, потому что на такое способно только оно. Одна такая частица попадается раз в двое суток.

Первичная обработка данных, полученных от "Квазаров", проводится в Москве, Дубне и Иркутске, а затем продолжается в Германии, в лаборатории DESY на сотне мощных компьютеров. В результате этого очень сложного и долгого процесса (на сегодня обработано то, что было зарегистрировано еще в 1998 году) на карте небесной сферы, согласно рассчитанным траекториям нейтрино, появляются точки, показывающие, откуда пришла на Землю каждая конкретная частица. Понятно, что нейтрино должно приходить часто и регулярно из тех областей Вселенной, где происходят какие-то бурные процессы, например взрывы Сверхновых или активизация "черных дыр".

Стройка века


Особенность "Квазара" состоит в том, что в отличие от всех использовавшихся до сих пор фотоэлектронных умножителей у него очень высокое напряжение внутри колбы - 25 кВ против 1,5-2 обычных. Поэтому магнитное поле Земли не искажает траектории фотоэлектронов внутри колбы. Традиционные же ФЭУ приходится защищать с помощью металлических сеток, которые, во-первых, не способны полностью погасить все помехи, а во-вторых, сами создают затемнение, сужая "область видимости" прибора. Помимо этого "Квазар" имеет самый большой среди себе подобных диаметр чувствительного слоя (370 мм), а значит, самую высокую чувствительность. Такого не удалось достичь даже ведущему мировому производителю ФЭУ - японской фирме Hamamatsu.

Байкальский нейтринный телескоп - один из немногих крупных научных проектов, которые удалось завершить в 90-х годах. Телескоп строили всей страной. "В Советском Союзе не было необходимой для наших задач глубоководной техники. Нам все пришлось создавать 'с нуля' - или самим налаживать производство, или делать кустарно, в своих лабораториях", - рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, доктор физико-математических наук Григорий Домогацкий.

Когда наши ученые и инженеры вот так, "на коленке", делают то, за что до этого никто не брался, у них всегда все получается просто и изящно. Байкальский телескоп подтверждает это наблюдение каждым своим "винтиком". А когда узнаешь, что американцы вместе с японцами два десятка лет бились над подобным проектом (DUMAND) и в конце концов бросили его, потому что так и не сумели преодолеть ряд ключевых трудностей, то в полной мере начинаешь осознавать, что на самом-то деле за этой простотой и изяществом стоят уникальные научные и технические решения.

Взять, к примеру, оригинальную технологию производства стеклянных сфер, которые служат корпусами для основной "рабочей лошадки" установки - фотоумножителей "Квазар". Она была разработана в Институте электровакуумного стекла. Сферы сделаны из особого низкорадиоактивного стекла с добавкой бора и кремния, оно выдерживает давление воды на глубине до 1400 метров. Да и сам "Квазар", можно сказать, родоначальник нового поколения электровакуумных детекторов - создавался он специально для Байкальского телескопа и по своим характеристикам превзошел все известные зарубежные аналоги.

В конструкции телескопа использован уникальный волоконно-оптический кабель: его длина - 6 км, и он способен работать в условиях высоких температур, повышенных давлений и существенных нагрузок. Кабель этот, именно с такими параметрами, впервые в мире удалось создать специалистам ВНИИ ядерной геофизики и геохимии в 1981 году. Они изготовили всего лишь один - экспериментальный - экземпляр, первоначально он предназначался для ядерно-физических исследований в глубоких скважинах, но уже более пятнадцати лет исправно работает в глубинах Байкала.

Для того чтобы проложить кабели (один волоконно-оптический и три обычных геофизических) по дну от телескопа до Берегового центра, в Нижегородском политехническом университете разработали оригинальный ледорезательный агрегат, который, двигаясь по льду, формирует ровную щель и аккуратно опускает в нее кабель. Там же был спроектирован и особый дизель-генератор, который не протапливает под собой лед. Не будь его, лагерь на льду стал бы свалкой мерзлого железа.

Несущий каркас подводной конструкции - штанги-плечи длиной 21,5 метра, к которым крепятся стринги, - Академия наук заказывала тогдашнему НПО "Союз" (ныне Центр двойных технологий). Они сделаны из того легкого и прочного стеклопластика, который применяется в ракетно-космической и авиационной технике. Якорями для установки служат большие ковши, набитые кусками трамвайных рельсов, а под подводные поплавки приспособлены связки полых алюминиевых шариков - так называемых кухтылей, которыми рыбаки пользуются для постановки глубоководных тралов.

Положение, в котором подводная конструкция находится в равновесии, то есть не стремится ни всплыть, ни осесть на дно, рассчитали специалисты Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. А сложнейшее программное обеспечение для обработки гигантского количества регистрируемых вспышек создали сотрудники лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий ИЯИ РАН вместе со специалистами из МГУ, Объединенного института ядерных исследований (город Дубна) и лаборатории DESY.

Лед

Добраться непосредственно до места расположения уникального нейтринного детектора можно только зимой, и, как выяснилось, не без приключений. Единственная дорога - по замерзшему Байкалу. Ледяной покров - ключевое "достоинство" озера, именно благодаря ему и удалось осуществить Байкальский проект. На льду установку монтировали (в несколько заходов на протяжении шести лет), с него же опускали под воду. Каждый год, как только окрепнет лед, сюда, на Байкал, приезжает экспедиция РАН - ученые разворачивают на льду лагерь и достраивают установку, ставят новые эксперименты, испытывают новые приборы.

Корреспондент "Эксперта" начал постигать роль льда в развитии отечественной астрофизики в тот момент, когда старенький дребезжащий "уазик-таблетка" (основное транспортное средство экспедиции) съехал с шоссе сначала на гальку береговой полосы, а затем на лед озера и помчался по ровному, как стол, бескрайнему белому полю, ориентируясь по высохшим низеньким елочкам, кое-где вмороженным в лед. Это абсолютно пустое пространство обрамлено величественными береговыми утесами, до отказа заполнено звенящей тишиной и щедро залито солнцем. Неожиданно сидящий рядом с водителем заведующий лабораторией физики элементарных частиц при Иркутском государственном университете доктор физико-математических наук Николай Буднев восклицает: "Вон она!", и машина резко тормозит, словно перед выскочившим на проезжую часть пешеходом. Чуть впереди бело-голубое ледяное поле прорезает широкая черная змейка. "Трещины здесь непредсказуемы. Они могут образоваться в любой момент в любом месте. За день они затягиваются, ночью - снова расходятся," - делится многолетними наблюдениями Буднев.

Переправу организовали по отработанной годами технологии: во льду пешнями выдолбили неглубокие канавки, в них уложили две толстые широкие доски - трапы, по которым машина перебралась на другой "берег" трещины. Дальше вся дорога до базы состояла из коротких перегонов: переправившись через одну трещину, мы с ветерком неслись до следующей. Через некоторые из них - сравнительно узкие - наш "уазик" благодаря мастерству водителя перескакивал ходом, с разгона. "Глубина здесь около полутора километров", - как бы между прочим сообщил Николай Буднев после очередного "прыжка".

База

Официальный адрес базы экспедиции - 106-й километр Кругобайкальской железной дороги. Эту ветку пробили в горах вдоль кромки берега еще в 1904 году для снабжения русских войск, сражавшихся с японцами. Построили, надо признать, на совесть: спустя почти столетие по оставшемуся в действии отрезку раз в неделю челноком ходит "передача" - состав из трех вагонов, снабжающий хлебом и единичных представителей местного населения, и экспедицию ученых-астрофизиков.

Доктора и кандидаты наук, ведущие специалисты и ученые с мировым именем из ИЯИ РАН, Иркутского университета, МГУ и десятка других организаций полтора месяца живут в металлических вагончиках-кунгах, наполовину забитых приборами, - издали они смотрятся как аккуратный рядок спичечных коробочков, приткнувшихся на узкой полоске берега у подножия отвесных горных утесов.

На льду, в четырех километрах от берега, на площадке размером с футбольное поле, разбросано еще с десяток кунгов. Под ногами змейками вьются припорошенные снегом кабели. Стальные стрелы лебедок, которые опускают модули установки под воду и поднимают их на поверхность, устремлены вперед и ввысь. Под стрелой каждой лебедки чернеет большая квадратная прорубь - майна на местном сленге. Там, где поземка не намела снега, ледяной панцирь абсолютно прозрачен, под ногами зияет черная, засасывающая глубина - в ней сокрыта гордость отечественной науки, которую целиком могут видеть только флегматичные байкальские омули.

"Сачки" для нейтрино

Нынешней зимой основной задачей экспедиции был монтаж и испытание новых модулей, которыми в будущем году планируется расширить установку. Предстояло нанизать три дополнительные гирлянды и подвесить их отдельно от "зонтика" около дна по бокам от основной конструкции. Каждая гирлянда состоит из трех пар "Квазаров", которые теперь смогут "засекать" вспышки в пласте воды ниже основной установки. Таким образом рабочий объем телескопа увеличится в десять раз - до десяти миллионов кубометров. Впрочем, это пока только планы ученых, последнее слово, как всегда, за льдом.

А он коварен и вспыльчив. С приходом весны он не тает, а расщепляется на отдельные вертикальные иголочки и ничего на себе не держит, хотя сохраняет свою метровую толщину. "В прошлом году был случай: оставили после работы лом, прислонив его к стенке вагончика, и он ушел сквозь лед. Пришлось срочно сворачивать лагерь и уходить", - рассказали корреспонденту "Эксперта" бывалые члены экспедиции. Когда я приехала на базу, там ждали возвращения экспедиционного вездехода, который должен был привезти с противоположного берега Байкала двадцать двухсотлитровых бочек солярки - драгоценное топливо для резервного дизеля, питающего все приборы телескопа и оборудование Берегового центра. (На местную линию электропередачи здесь полагаться нельзя: местные жители регулярно промышляют продажей вырезанных кусков электрокабеля.) Водитель вездехода выбрался из кабины взмокший от напряжения и рассказал, что лед на протяжении почти сорока километров пути изрезан трещинами и расходится прямо под гусеницами машины. Но ученых это не испугало.

Утром на центральной майне вовсю кипела работа. Лебедка подняла над прорубью "вершину айсберга" - толстую серо-коричневую гроздь кухтылей. Поплавок отцепили, оттащили в сторонку, и подъем продолжился. Следующим из-под воды вынырнул прикрепленный к центральному тросу пластиковый щит, на котором, как сушеные пауки на картонке, были пришпилены отдельные провода, провода, сплетенные в жгуты, и провода, скрученные в бухточки. Физик-теоретик Игорь Белолаптиков, устроившись перед щитом на коленях, с четверть часа колдовал над безнадежно, как казалось, перепутанными проводами, подсоединяя к общей электросхеме дополнительный тракт для новых фотоумножителей. Кстати, место контакта защищено от попадания воды весьма оригинальным способом: спаянные оголенные кончики проводов поливаются касторкой и на них натягивается кусочек резиновой трубочки. На глубине давление столба воды обжимает "тюбик с касторкой", и ничего постороннего на место контакта не проникает.

Лед между тем не позволял забыть, кто здесь главный. Разнообразие звуков, которыми он напоминает о себе, достойно талантливого пародиста-имитатора. Сначала казалось, что где-то совсем близко ветер хлопает огромным парусом. Потом послышались глухие ритмичные удары производственного пресса. Затем со стороны дальнего берега стало стремительно приближаться характерное пощелкивание электрической искры, оплавляющей кабель. Звук пробежал под нашими ногами и так же стремительно унесся к другому берегу. Все это - голоса льда. Они свидетельствуют, что в любой момент его монолитная твердь может с треском разойтись, словно обветшавшая ткань.

Под этот аккомпанемент в другую майну опустили конец троса со стальными чушками якорей и, отмерив от них два метра, начали крепить первую пару "Квазаров". Их защитные "кожухи" - стеклянные сферы размером с крупную тыкву, стиснутые по экватору металлическими обручами, - выглядели хрупкими, однако специалисты заверили, что приборы можно смело опускать на глубину, доступную не всем подводным лодкам. На солнце казалось, что одну половинку каждой сферы как будто слегка смазали изнутри йодом - такого цвета сам чувствительный слой. Готово. Под скрип лебедки шары уходят под воду, а физики-монтажники уже держат наготове следующую пару "утопленников".

Дополнительные стринги позволят по интенсивности вспышек определять энергию нейтрино, в то время как сейчас фиксируются только траектории частиц. Знать энергию нейтрино важно, поскольку по ее значению можно понять возраст частицы, место и условия ее рождения во Вселенной, а также масштаб энерговыделений в "черных дырах", при образовании Сверхновых и прочее.

Нанизывание новой гирлянды еще продолжалось, когда мы с Николаем Будневым возвращались на берег на его "уазике". Уже у самой базы показалось, что нам вслед дали залп из реактивных "Градов", а секунду спустя машину тряхнуло, и сзади раздался взрывной треск: одна часть расколовшегося ледяного панциря наехала на другую, а их раскрошившиеся кромки образовали причудливые разломы и торосы. "Повезло, проскочили", - без особых эмоций констатировал Буднев и сразу же передал по рации в лагерь, чтобы "ГАЗ", который вечером повезет людей обратно на базу, искал объезд.

Учитесь у русских

"Создание Байкальского телескопа началось почти двадцать лет назад, тем не менее он способен решать задачи, которые встали перед наукой только сейчас, - говорит Григорий Домогацкий, 'скармливая' печке очередную охапку поленьев. Снаружи о стены избы (своего рода штаба экспедиции) бьется шквалистый ветер. Как будто запертый в каменной клетке, он мечется над озером между береговыми утесами и с грохотом швыряет друг на друга прорезанные трещинами части ледяного панциря. - Наш нейтринный телескоп идеально подходит для поиска частиц, из которых, как предполагается, состоит 'темная материя', а также для поиска магнитных монополей (частиц с единичным магнитным зарядом, существование которых предсказано теоретиками. - 'Эксперт')".

Гипотетический монополь где только ни ищут - и в породе метеоритов, и в лунном грунте, и в слюде, и в космических лучах. На Байкале его пока тоже не нашли, зато уже установили, что в отдельных диапазонах энергий этих частиц не наблюдается, и тем самым значительно сузили "район поисков". Это первые значимые результаты, полученные с помощью уникальной подводной установки. "Вообще же эксперименты на Байкале - это настоящее Эльдорадо для поиска экзотических объектов", - полагает Григорий Домогацкий.

Байкальский телескоп не просто правильно задуман и сделан, его можно еще и модернизировать. Так, вслед за тремя дополнительными стрингами, которые позволят определять энергию нейтрино, предполагается установить в глубине озера особые гидрофоны. Они будут регистрировать звук, которым, как полагают ученые, должно сопровождаться прохождение сквозь воду потока нейтрино сверхвысоких энергий (больше 1016 эВ). О таком способе обнаружения нейтрино говорят уже почти тридцать лет, но никому до сих пор не удалось его реализовать.

Сейчас многие государства хотят завести свое "нейтринное Эльдорадо" - иметь нейтринный детектор стало столь же престижно, как некогда обладать ускорителем заряженных частиц. Поэтому сюда, в сибирскую глушь, каждый год приезжают, как в научную Мекку, группы ученых из Франции, Италии и других западных стран - учиться у русских. В настоящее время Франция, Греция и Италия пытаются создать телескопы в Средиземном море - каждая свой (проекты ANTARES, NESTOR и NEMO), но все они пока в самом начале пути. Американцы при содействии немецких коллег, тех, кто в течение двенадцати лет участвовал в развертывании Байкальской установки, уже создали свой телескоп на Южном полюсе (проект AMANDA), вморозив фотодетекторы в лед на километровой глубине. В будущем наша и американская установки, скорее всего, будут идеально дополнять друг друга, отслеживая события в северной и южной полусферах неба. Пока же разгадку "черных дыр", "темной материи" и многих других ребусов Вселенной ищут только в майнах озера Байкал.